国内导电混凝土研究现状

摘要：本文综述了国内导电混凝土研究的由来与进展，分析了该技术的导电机理，并着重介绍了石墨、碳纤维、钢纤维及钢渣等常用导电组分材料，以及复合导电介质的研究，总结了导电混凝土技术的发展前景。

关键词：导电混凝土；电阻率；导电材料；石墨；碳纤维

中图分类号：TU37 文献标识码：A

1研究背景

在中国，公路、城市道路、港口码头和机场等大量修建了水泥混凝土路面。在寒冷的冬季，当水泥混凝土路面因降雪而积雪结冰时，给道路畅通和行车安全带来了严重的影响，甚至造成道路和机场关闭，给客货运输带来不便，也给建设单位造成巨大的经济损失。为了保障道路畅通和行车安全，必须采取措施对混凝土路面结构进行融雪化冰。目前，我国主要通过撒盐(NaCl，CaCl2)来融雪化冰。这一方法具有材料来源广泛、价格便宜、化冰雪效果好等特点，因而得到了普遍应用。但是，撤盐法也给混凝土路面结构和环境带来了许多负面效应，主要表现为钢筋钢纤维锈蚀、路面剥蚀破坏和环境污染等问题[1]。因使用除冰盐，已造成道路、桥梁的严重破坏。为此，我国在80年代开始了对导电混凝土的研究。

导电混凝土是在普通混凝土中添加一定含量的导电组分材料制成具有一定导电性能和力学性能的混凝土。普通混凝土的电阻率一般在106~109Ω·cm范围内，既不属于绝缘体，也不属于良导体。在混凝土中添加一定含量的导电组分，可使其导电性大大改善，从而成为具有良好导电性能的导电体。

2导电混凝土的导电机理

导电混凝土是指由胶凝材料、导电组分材料和水等按一定配合比组成的多相复合材料，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；混凝土或者水泥作为基体相，导电性能差。导电混凝土的导电一方面是由分散在基体中的导电组分材料形成网络，并通过隧道效应连通网络间的绝缘而传导；另一方面通过水泥石传导。对于前者，如碳纤维、石墨粉及钢纤维等为电子（或空穴）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基体中，受绝缘的水泥基体阻隔，形成势垒。当间隔距离减小，使水泥基体形成的势垒足够小，或电子和空穴从外界获得足够的能量时，就会跃过势垒，从一个导电体到达另一个导电体，从而实现导电。导电混凝土研究的目的就是通过这种导电方式对水泥混凝土面层加热，达到融雪化冰的目的，从而保证寒冬雨雪天气交通的正常运行。

3.1石墨

石墨是一种较易获取的无机材料，它不仅具有良好的导电性、导热性，而且有良好的化学惰性。研究表明，导电混凝土的电阻率随石墨掺量的改变可在10-1~106Ω·cm范围内变化，但必须在掺量较高时才能使混凝土具有良好的导电性，而且石墨粉的需水量很大，需要大幅度增加混凝土拌合物的用水量，将导致混凝土的强度随着石墨粉的掺量增加而快速下降。石墨掺量超过12%时，电导率增加已不明显；而抗压强度则随石墨掺量的增加而急剧减小，当石墨掺量大于20%时，其抗压强度已不足10MPa，电阻率小于50Ω·cm。

3.2碳纤维

碳纤维是一种高强度、高模量轻质非金属新型材料，既具有元素碳的各种优良胜能，又具有良好的耐磨性、导电性、低温性、性和吸附性。碳纤维用于制作导电混凝土，既能发挥导电功能，且在一定程度上能增强其力学性能。与石墨相比，在导电性能方面碳纤维具有如下特点：(1)导电纤维比导电粒子更容易形成导电网络；(2)纤维越细，直径越小，在相同体积含量时，纤维根数越多，纤维的总长度越大，纤维与纤维之间更易于搭接，从而形成相互连通的导电纤维网络；(3)纤维越长，越容易相互搭接。

经过近一年的研究发现，碳纤维导电混凝土的渗流阈值在0.3%附近。当碳纤维体积分数较低时，试样的电阻率随着固化时间的延长而明显增大，碳纤维体积分数越低，这种变化的趋势越明显；而当碳纤维体积分数较高时，试样的电阻率随着固化时间的延长反而会出现一定程度上的下降。综合导电性和抗压强度两种因素考虑，碳纤维最佳质量分数在0.4%左右。

3.3钢纤维

钢纤维具有提高混凝土的抗拉、抗弯、抗剪等力学性能的优点，同时作为金属也可以发挥导电功能。因而钢纤维常常作为配制导电混凝土的技术方案之一。研究发现钢纤维对降低混凝土的电阻率不是特别显著，掺量体积分数1%的钢纤维约降低混凝土70%的电阻率。但是由于混凝土中钢纤维易受到腐蚀作用，使得钢纤维导电混凝土的电阻率，经过一年后增大了近60倍[2]。钢纤维一般不适合单独用作导电相材料，可作为复合材料实用。

3.4其他导电介质

其他用作导电相的导电材料主要有钢渣、炭黑、焦炭和碳质骨料，以及高含碳量粉煤灰（含碳量大于20%）。钢渣是炼钢过程中产生的废渣，其主要化学组分为CaO、SiO2、FeO.因而其颗粒通常具有导电性，可以考虑用作导电混凝土的导电介质。同时钢渣掺入混凝土，不但成本低廉，而且不会降低混凝土的理学性能。试验表明，钢渣颗粒越细，在混凝土中的导电性越好，但钢渣受工业污染严重，影响其导电效果。

混凝土中骨料占绝大部分的体积，如果骨料具有导电性，则混凝土很容易获得较好的导电性能。因此，碳质骨料是配制导电混凝土的较为理想的一种导电介质。碳质骨料属于一种轻骨料，吸水率稳定，且无湿胀性。在配制之前，先要对碳质骨料进行预饱水处理。碳质骨料可以取代石子，也可以磨细后用作细骨料。

4导电混凝土的发展前景

目前已经存在的各种导电混凝土技术，其原理就是在混凝土中加入导电相材料，而导电相材料不外乎两类：一类是导电颗粒，一类是导电纤维，实际中常将两类材料组合使用以获得较好的效果。其中，金属类导电相材料被逐渐摈弃，更多地倾向于使用碳质材料，其性能稳定性已经获得认可。导电混凝土技术的关键在于如何将导电相材料与基材有机合成，并使之处于导电的渗流状态。大量的试验研究工作其实就是意在保持混凝土必要的工作性和力学性能的同时，以最少的导电相材料获得最佳的导电性能。

经过二十多年的研究，我国研究者在导电混凝土方面的技术已经相对成熟，其导电性能和力学性能均满足工程应用的要求，已初步应用于实际工程中。2002年唐祖全[3]等研究了导电混凝土电热层布置对路面除冰效果的影响，采用导电混凝土覆层的形式布置电热层可取得较好的融雪化冰效果。可以预见，由于导电相材料还具有良好的机敏特性，在结构健康监测、交通监测、电磁波屏蔽等方面有着广泛的应用前景，将有越来越多的领域会采用导电混凝土。为此，还需要对导电混凝土在服役环境中的性能变化规律及机理进行系统研究，考虑荷载因素、非荷载因素及其耦合作用对导电混凝土性能的影响，为该材料的推广使用奠定基础。

参考文献：

[1] Sherif Yehia，Christopher Y Tuan. Conductive Concrete Overlay for Bridge Deck Deicing[J]. ACI Materials Journal，1999，96(3)：82~390

[2] Sherif Yehia，Christopher Y Tuan，David Ferdonetal. Conductive Concrete Overlay for Bridge Deck Deicing: Mixture reporting Optimization and Properties[J].ACI Materials Journal，2000，97(2)：172-181

[3] 唐祖全. 碳纤维机敏混凝土路面结构融雪化冰性能研究[D]. 武汉:武汉理工大学，2002