导电混凝土的研究综述

摘 要：文章综合国内外文献概述了导电混凝土的发展过程和特点，介绍了导电混凝土的导电原理，导电相材料的常见类型以及性能要求，总结了导电混凝土的发展趋势。

关键词：导电混凝土；导电原理；电阻率；导电相材料

引言

混凝土是一种家喻户晓的建筑材料。它的发展虽然只有100多年，如今已成为世界范围内应用最广、用量最大的建筑材料。尽管混凝土的发展非常迅速，但其性能与使用要求之间仍存在较大差距。例如传统的混凝土在干燥情况下的电导率一般在106-109Ω・m，潮湿状态下达到101-104Ω・m，都不具有良好的导电性能[1]。若要改善其导电性能，则需加入某种导电介质，制成导电混凝土。

1 概述

1.1 导电混凝土的定义

导电混凝土是指由胶凝材料、导电相、介电骨料和水等组分，按照一定配比混合凝结而成的多相复合材料，是由导电相部分或全部取代混凝土中的普通骨料配置而成，具有规定的导电性能和一定力学性能的混凝土[2]。

1.2 导电混凝土的特点

导电混凝土既能发挥混凝土的优点，又能安全、简答、快捷的解除除雪化冰问题。而且采用导电混凝土将使除冰工作效率大大提高，对保证车辆行驶、飞机起降的安全性起到重要作用。此外，导电混凝土具有很好的机敏性，可以通过测定电阻率的变化反映路面内部情况。

2 导电混凝土的发展过程

导电混凝土最早被人们开始研制是在二十世纪30年代左右，包括前苏联，美国，英国，德国，加拿大在内的多个国家都开始探索了混凝土导电性能的可能性。

二十世纪50年代，前苏联不仅研究了混凝土导电性能的可行性，而且制定了相应的电工混凝土标准。他们把电工混凝土分为三类，即绝缘混凝土，导电混凝土，特种导电混凝土。

二十世纪70年代，人们冬季在路面上撒布除冰盐来消除路面和桥面上的冰雪，但确造成了混凝土的严重腐蚀。因此，美国和一些北欧国家开始关注混凝土通电加热性能。

二十世纪80年代，我国也加入了导电混凝土的研制队伍里[3]。

二十世纪90年代，人们在导电混凝土的研制和开发阶段获得了长足的进步。Banthia等人研究了碳纤维-钢纤维水泥复合材料的导电性。其28d龄期的导电混凝土的电阻率在31.9-78Ω・cm。

Xie等人又将导电混凝土分为两类：导电纤维增强混凝土和含有导电骨料的混凝土。并在美国申请了导电混凝土的相关专利，指出导电混凝土复合材料具有较低的电阻率和较高的抗压强度。

1988年Yehia等人开发了一种由石墨和碳质部分取代钢屑，并在所有配比中掺入体积分数为1.5%的钢纤维的导电混凝土。该混凝土在2001年成功的用其热电效应进行除冰化雪。

我国的唐祖全等人[1]在研究了混凝土融雪化冰的可能性后，阐明导电混凝土是可以应用于建筑采暖和路面融雪的。唐祖全又由硅酸盐水泥、钢渣和水为原材料制成了钢渣导电混凝土，并成功获得了发明专利。

1998年，李仁福[4]等M行过一次利用水墨水泥净浆制作室内采暖地面的尝试，取得了较为满意的结果。

沈刚[5]等人研究了混凝土导电率与温度的关系。他们发现：当温度低于100摄氏度时，电阻率随温度的升高而下降；当温度高于100摄氏度时，电阻率随温度的升高而上升。

3 导电混凝土的导电原理

混凝土的导电方式由两部分组成。第一部分是由分散在基体中的导电组分材料形成网络，并通过隧道效应连通网络间的绝缘而传导。第二部分是通过水泥石的传导，即水泥石的传导。有学者将第二部分细分为：一种是通过自由的可蒸发水的离子导电；另一中是通过凝胶、凝胶水及未反应的水泥颗粒的电子导电。

4 常见导电相材料

4.1 炭黑

炭黑粒子的粒径分布会影响其导电性，粒径分布宽的粒子的导电性优于粒径分布窄的粒子。此外如果炭黑表面含有大量活性基团也会影响他的导电性能。

4.2 石墨

石墨层内的导电率温度系数呈正值，具有金属特性。石墨层间的导电率温度系数呈负值，是半导体。研究表明，只有在石墨的掺量比较高的时候才能使混凝土具有导电性，且混凝土的导电率在10-1-106Ω・m之间，但是混凝土的强度会大大降低。

4.3 碳纤维

水泥混凝土中掺入适量短切碳纤维后，除了可以提高水泥基体的韧性，提高他的抗拉强度外，还可以将他的电导率降低在102以内。相较于石墨，碳纤维的导电性优于石墨，也不会使混凝土的力学特性大幅降低。但是碳纤维的制作过程相当繁杂，成本较高。

吴少鹏[6]等人研究发现：石墨和碳纤维复合可制备具有良好导电性能的混凝土，其路用性能有所提高，但是电学性能的稳定性与路用性能的耐久性有待深入探究。

4.4 钢纤维

钢纤维本身作为金属就具有良好的导电性。将钢纤维掺入到混凝土中不仅可以显著提高它的力学性能，而且可以改善他的耐久性和抗冲击性能。

魏小胜等人[7]在配置导电混凝土时采用的是长35mm左右，直径6.5mm左右的钢纤维。经研究后发现，钢纤维体积分数在还未达到0.4%时，电阻率随着掺量增加显著下降，随后下降平缓。因此，钢纤维及金属粉末都不太适合作为导电介质添加在混凝土中。

4.5 钢渣

将钢渣掺入混凝土中，不仅成本低廉，而且混凝土的力学性能也不会降低。

钱觉时、李长太等人[8]利用风淬钢渣制备出来了导电混凝土。经试验研究后，发现钢渣的质量比上水泥的质量小于0.5时，混凝土的体积电阻率没有太大变化；当钢渣的质量比上水泥的质量在0.5-1.0时，其体积电阻率迅速降低；之后，混凝土的体积电阻率的变化趋于平稳。

5 导电混凝土的发展趋势

导电混凝土除了可以除去路面的冰雪外，而且还可以用于室内采暖、动物养殖场制造温室[6]。使用导电混凝土制造采暖地面相较于传统的采暖方式，摒弃了安装金属片、建造锅炉房这些举措，不仅工艺简单，而且成本低廉，稳定性好。

由不同导电相材料制成的导电混凝土，在电阻器、接地工程、工业防静电、金属防腐阴极保护技术、等领域都起着不可忽视的作用。

6 结束语

导电混凝土经过数十年的研究，尤其是自二十世纪九十年代以来，优秀的研究成果不断涌现，使得导电混凝土的研究日趋成熟，相应的力学性能和耐久性也变得稳定。在路面的除雪，电站的接地、地面的采暖等方面都有成功的应用。

但是导电混凝土还存在导电性能和力学性能不可兼得，导电材料组分制造工艺复杂等问题。为此，我们还需要对导电混凝土进行更深层次的研究，为推广该材料奠定基础。

参考文献

[1]唐祖全，钱觉时.导电混凝土研究进展[J].重庆建筑大学学报，2006.

[2]周永祥，冷发光，何更新，等.导电混凝土技术综述[J].中国建材科技，2009.

[3]陈德明，管永良.国外导电混凝土的研究与应用[J].混凝土，1991.

[4]李仁福，戴成琴，等.导电混凝土采暖地面[J].混凝土，1998.

[5]沈刚，董发勤.碳纤维致热混凝土的阻温特性研究[J].武汉理工大学学报，2004.

[6]吴少鹏，磨炼同，水中和石墨改性沥青混凝土的导电机制[J].自然科学进展，2005.

[7]魏小胜，肖莲珍，等.钢纤维水泥基材料的导电机理和水化特性[J].混凝土，2006.

[8]钱觉时，李长太，等.风淬钢渣用于制备导电混凝土的试验研究[J].建筑材料学报，2005.