导电混凝土是一种新型的混凝土, 其基本原理是导电材料部分或全部取代混凝土中的普通骨料,它是具有符合规定的电性能和一定的力学性能的特种混凝土。导电混凝土具备热和电的感知和转换能力, 这就使得它不仅能作为一种建筑承载材料使用, 而且还将在电工、电子、电磁干扰屏蔽、防静电、电加热器、钢筋阴极保护、建筑地面采暖、路面除冰融雪等方面发挥重要作用。因此关于导电混凝土的研究受到越来越广泛的关注。
1. 导电相骨料
导电混凝土的导电相骨料应具有必需的导电性、足够的机械强度和温度稳定性。同时应能在组分局部过热时具有抗氧化作用, 它不应与胶凝材料发生化学反应, 导电相与胶凝材料的线膨胀系数值应相近, 导电相的导电性对温度的依赖性应最小。所以, 并非所有电阻率低的导电材料均适宜作导电相材料。试验表明, 在众多的导电材料中, 碳质骨料最适宜作为导电混凝土的骨料, 现在研究最多的也就是碳纤维导电混凝土和石墨导电混凝土。导电材料可取代部分骨料掺入或作为单独组分直接掺入。根据导电相骨料在混凝土中取代的成分不同,导电相骨料常分为导电相细骨料和导电相粗骨料。
2. 电极设计
在导电混凝土的应用中, 主要的测量和测控参数是材料的电阻值, 电极是联系被测试样和测试仪表的桥梁。因此电极电阻率的大小、与被测试样及外导线接触良好与否及在使用中的耐久性等, 都直接关系到测试结果的精确度和真实性, 所以电极设计就显得尤为重要。
一般地, 测试电阻值主要是由试件电阻、电极电阻、电极与试件间的接触电阻以及电极与外引导线间的接触电阻四部分组成。可以使用的电阻按其形状分有: 布状电阻(如石墨布) , 片状电阻(如铜片) , 线状电阻(如铜丝) ; 按其与混凝土的连接方式可分为: 外粘式和预埋式。研究证明, 表面涂导电胶, 上压贴铜导线和石墨布, 然后固化所得到的电极测试电阻值是最小的, 且结果变动系数也不大, 同时也不破坏试件的完整性。
3. 导电混凝土的主要性能指标
(1) 强度。导电混凝土的力学性能通常以抗压强度来表征。导电混凝土的抗压强度仍按普通混凝土抗压试验方法测得。影响导电混凝土强度的因素很多, 与普通混凝土不同的是, 导电相材料本身的机械强度、粒度、形状、级配和掺量对混凝土的强度影响较大。尤其是碳质导电相材料, 由于其自身的强度性能较差, 它在混凝土中所占的质量百分率对导电混凝土的强度起决定作用。
(2) 导电性。导电混凝土或是在电场下工作,或是作为输导电流的导电材料, 因此导电性是衡量导电混凝土性能的主要物理参数。它应具有给定的数值, 并且在一定的时间、允许荷载和温度范围内保持其稳定性。衡量导电性的指标一般为电阻率。导电混凝土的电阻率视其用途而异, 一般可变化在10 - 3 ～102Ω •m。
(3) 电阻率的稳定性。电阻率的稳定性是导电混凝土作为导电材料基本的要求。稳定性的要求主要为: 随使用时间的延长、环境温度和温度的变化, 导电混凝土的电阻率应保持相对稳定; 导电混凝土在通电过程中, 通电时间、通电次数以及一定范围内的电压高低等对电阻应没有明显的影响。只有保持稳定的电阻率, 其导电过程才具有可控性。
4. 研究现状
美国Sherif Yehiat 等对同时掺加钢纤维和钢屑的混凝土性能进行了研究。研究表明, 掺入1.5 %～2 %钢纤维和10 %～20 %钢屑, 混凝土的电阻率为500 ～ 1000Ω •cm , 抗压强度为30 ～40MPa 。研究同时还发现, 随时间的延长, 钢纤维钢屑混凝土的电阻率明显增大。主要是由于钢纤维在水泥的碱性环境中, 表面产生氧化钝化层, 使混凝土的导电性能降低。
目前国内外研究较多的主要为碳纤维增强混凝土CFRC ( Carbon Fiber - Reinforced Concrete) 。CFRC 不仅具有较高的抗压强度与抗拉强度, 更重要的是其体积电阻率随外界应力的改变而改变, 这些都引起国内外一些学者对其性能和应用开展了一系列的研究工作。
虽然碳纤维增强混凝土具有良好的电学和力学性能, 但昂贵的价格限制了它在很多领域的应用。近来沈刚、董发勤开始利用钢纤维和钢渣作为导电相来研究混凝土的导电性。
5. 结语
导电混凝土是一种新型的特种功能混凝土, 其电阻率取决于导电材料的种类、性能与掺量, 具备热和电的感知和转换能力, 是一种“智能”型材料。导电混凝土具有材料来源广泛、制备简单、经济等特性。随着科学技术的发展, 今后在结构工程、电工工程以及家庭取暖等领域将会被广泛应用。
