导电混凝土的研究与应用

摘要：导电混凝土是一种特种混凝土,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。

关键词:导电混凝土电阻率石墨碳纤维混凝土钢纤维混凝土导电介质导电性能

混凝土因其优良的物理力学性能在土木工程领域得到了广泛的应用，是目前用量最大的一种建筑材料。普通混凝土的电阻率高，电阻率一般在10⁶～10⁹Ωcm范围内。属电的不良导体。对于交流电来讲，干燥的混凝土是良好的绝缘体，其电阻率约为10¹³Ωcm^[1]。但随着混凝土中水分的增加，混凝土的电阻率降低。由于混凝土中水泥水化后有很多离子性的物质(电解质)溶解于水中，这些溶解盐也可以充当电介质，并通过毛细管互相连接，因此混凝土随着水分的增加，其导电性能也增加。当完全饱和时，混凝土的电阻率可降至10²～10³Ωcm^[2]。所以普通混凝土是一种介于绝缘体和导体之间的材料。

如果在普通混凝土中添加一定量的导电组分材料，可使其导电性能大大改善，从而形成具有较好导电性能的导电体。导电混凝土既有结构材料的特点，又具有导电性。这不仅使混凝土作为一种结构材料使用，以及在电工、电磁干扰屏蔽、工业防静电、电力设备接地工程、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。

１导电混凝土的导电机理

导电混凝土是指由胶凝材料、骨料、导电组分材料和水等按一定配合比组成的多复合材料，是在普通混凝土中掺入适量导电组分材料而形成的一种水泥基功能复合材料。其中导电组分作为分散相，导电性能好；混凝土或水泥作为基体相，导电性能差。导电混凝土的导电一个方面是由分散在基体中的导电组分材料形成网络，并通过隧道效应连同网络间的绝缘而传导，另一方面是通过水泥石传导。对于前者，如碳纤维、石墨粉及钢纤维为电子导电，电流通过彼此搭接或接触形成的导电网络进行传导。同时，导电颗粒或纤维分散在水泥集体中，受绝缘的水泥基体阻隔，形成壁垒。当间隔距离减小，使水泥基体形成的势垒足够小，或电子从外界或得充足的能量时，就会越过势垒，从一个导电体越到另一个导电体，从而形成导电^[3]。对于后者，及水泥石的导电，whittington^[4]等人认为可分为两部分:一部分是通过可自由蒸发的水离子进行导电。另一部分是通过胶凝、胶凝水以及未反应的水泥颗粒的电子导电，主要是铁、铝、钙的化合物。

2 常用的导电组分材料

导电混凝土既可以作为结构混凝土使用，也可以和常规混凝土混合使用。导电混凝土比常混凝土轻，其质量是常规混凝土的70%，而且导电混凝土的热稳定性一点也不比常规混凝土逊色;导电混凝土的制造过程只需要传统的混合和浇筑设备即可，且其用法和常规混凝土基本类似。

导电混凝土主要是依靠导电材料的相互接触进行导电的。目前可以作为导电混凝土骨料的材料，主要是碳质材料。碳质材料的骨料主要有石墨骨料、炭黑、碳质轻骨料、碳纤维等。

2.1 石墨材料

石墨是一种可行的导电材料，也是应用最早的导电骨料，它具有强度不较高、导电性能比较好等特点。但是，石墨要制成一定粒度的骨料，在目前技术上有一定难度，配置的导电混凝土电阻不够，再加上其价格较高，在应用上受到很大限制。

2.1 炭黑材料

炭黑是以含碳原料(主要为石油)经不完全燃烧而产生的微细粉末。外观为纯黑色的细粒或粉状物。颜色的深浅，粒子的细度，密度的大小，均随所用原料和制造方法的不同而有差异。炭黑不溶于水、酸、碱;能在空气中燃烧变成二氧化碳。炭黑的主要组成物是碳元素，还含有少量的氢、氧、硫、灰分、焦油和水分^[5]。

炭黑的种类和用途很多，用于导电混凝土的炭黑主要有导电炭黑、超导电炭黑等。炭黑虽然在价格上比石墨低廉，但在成粒上也有很大难度，存在着与水泥浆体粘结性差等缺点，也不利于在导电混凝土中应用。

2.3 碳质轻骨料

碳质轻骨料是英国Marconi通信系统公司研制成功的一种碳质骨料，也是一种导电性能较好的骨料，我国在此基础上已有所改进。这种导电骨料具有电阻率小、质量轻、价格低、杂质少等优点，其压实堆积密度为960kg/m³，松散堆积密度为800kg/m³，其pH值一般为7.1左右^[6]。

这种骨料不仅克服了石墨材料严重不足，而且其价格较低。实验证明，这种材料的吸水率虽然比较大，在饱和面干状态(含水率0.2%)时的吸水率可达到15%，但是瞬时性的，且吸水膨胀性很小。在掌握这一特性后，有利于在设计配合比和施工工程中更容易控制水灰比。但是，与水泥浆体的粘结性较低，虽然不如普通砂石，但要比石墨和炭黑高。 

2.4 碳纤维材料

碳纤维是一种导电性材料，不仅可以代替普通混凝土中的细骨料，而且又可以作为一种增强材料。在混凝土中加入碳纤维后，不仅不会像其他碳质骨料一样，对导电混凝土强度有不利的影响，反而还可以提高导电混凝土的强度，特别是对混凝土的抗弯强度提高更为显著^[7]，更重要的是其体积电阻率随着外界应力的改变而改变。因此，其混凝土结构直接可以作为一个良好的传感器而被广泛应用。

2.5 金属材料

金属的电阻率和各种电解质相比是极低的，如铜的电解率仅为1.7×10^-8Ωcm、铁的电阻率为9.7×10^-8Ωcm等。由此看来，在水泥混凝土拌和物中掺入研磨、切削或刮下来的少量屑粉、球粉或粒状金属，比较适合配制成导电混凝土。

对于大多数的导电材料来说，一般不能直接用于制作导电混凝土，必须首先对这些材料进行必要的加工处理，制作成一定的粒度、形状和级配，才能作为导电骨料用于混凝土。在导电混凝土中，除碳纤维导电混凝土外，其他碳质材料对混凝土强度均有不力影响。目前，大多数导电混凝土是用碳质轻骨料作粗骨料，用碳纤维作为细骨料，碳质轻骨料的最大粒径不应大于20mm。

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^[8]。

(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^-3～10²Ωm。

(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存在的问题

对颗粒状、粉末状的石墨粉、碳粉、焦炭及钢屑等导电材料，由于其长径比小，当掺量较小时，导电材料难以相互接触，不能形成良好的导电网络，顾其导电性能差;当掺量较大时，一反面由于炭黑、焦炭等本身强度较低，另一方面由于导电材料的吸水性，将加大混凝土拌和的需水量，是混凝土的强度大幅降低，难以满足土木工程对力学性能的要求^[9]。对碳纤维，虽然掺量较低时可以形成导电网络，但由于纤维搭接面较小，因此其导电性能较低。当掺量较大时，将使纤维在搅拌是结团成束，难以分散。在成型时易引入大量的气泡，降低混凝土强度。而对于钢纤维，其粒径较粗，当纤维产量较低时，难以形成相互搭接的导电网络，导电性能差。但纤维掺量过高时，混凝土工作性又差，采用常规施工较为困难。因此，目前研究的导电混凝土难以较好的兼顾导电性能和力学性能的要求。

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。

参考文献

[1]叶青，张泽南，胡国军.掺碳纤维水泥基

导电材料的物理性能研究[J].混凝土与水泥制品,1995,3:46～49.

[2]孙普生.英国研究出能快速变热的导电混凝土[J].石油工程建设,1998,6:54.

[3]张跃，职任涛，朱逢吾等，碳纤维(LCF)-无宏观缺陷(MDF)水泥基复合材料电学性能的研究[J].材料科学进展，1992,6(4):357～362.

[4]SanMingqing.LinZhuoqiu.Maooizhao.Shondarong.Studyontheholecondactionphenomenaincarbonfiberre-inforcedconcrete.CementandConcreteResearch.1998，2:549～553.

[5]YunshengXu.D.D.L.Chung.Si-lane-treatedcarbonfiberforreinforeingcement.Carbon.2001.

[6]SihaiWen.D.D.L.Chung.Carbon

Fiber-reinforcedcernentasaTbermistorCementandConcreleResearch.1999,2:961～965.

[7]毛起邵，杨元霞，沈大荣,等，碳纤维增强压敏性影响因素的研究。硅酸盐学报,1997,6.

[8]李文刚,刘乐平.导电混凝土研究现状[J].中国建筑文摘,2007,5:36～38.

[9]Chung.D.D.L.Cement-matrixCom-positesforSmartStructures.SmartMaterialsandStructures.2009,9:389～401.