导电混凝土机敏特性的研究进展

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摘要：综合国内外文献分析了导电混凝土的导电机理和导电相材料，介绍了导电混凝土的压敏性、温敏性和电热性的研究进展。指出了导电混凝土在研究和应用方面存在的不足。

关键词：导电混凝土；机敏；电热

基金项目：重庆市研究生科研创新项目资助（20140121）

0 引言

在各种土木工程材料中，混凝土的应用最为广泛。普通混凝土的电阻率高，属于不良导体。在普通混凝土中掺入适量导电组分材料能使其电阻率大幅降低。导电混凝土（Electrically Conductive Concrete）既有结构材料的特点，又具有导电性和发热特性。使其不仅可以作为一种建筑承载材料使用，而且还可以用在除冰融雪、电磁屏蔽、接地工程、结构自身损伤检测[1，2，3]等方面。目前，对导电混凝土的研究处于实验室的阶段。本文综合国内外文献分析了导电混凝土的导电机理和导电相材料，介绍了导电混凝土机敏特性的研究现状。

1 导电机理及导电相材料

导电混凝土的导电机理目前还没有一个明确的统一，但是普遍认同的有以下几种方[4]：①离子导电，通过孔溶液中Ca2+、Na+、K+、OH-和等离子运动形成；②电子导电，通过自由电子的迁移形成；③空穴导电，通过空穴的迁移形成。

作为一种新型混凝土，导电混凝土通过掺入导电材料作为导电相，以降低其自身的电阻率，达到有效导电的目的。现阶段，主要的导电材料包括石墨、碳纤维、钢纤维、钢渣。石墨具有良好的导电性（含碳量大于80%，其电阻率通常不大于0.5?・cm），具有化学性质稳定、耐酸碱、抗氧化性好等优点。碳纤维可以提高混凝土的抗拉强度、弯曲强度、弯曲刚度、和抗冲击性能，降低干缩，改善耐磨性能，提高混凝土的减震能力，改善新旧混凝土之间的粘结强度。钢渣是冶炼过程中产生的工业废渣，利用率较低。对钢渣进行陈华处理，能得到强度、颗粒级配以及耐磨性都接近于天然骨料的风淬钢渣，可以作为导电混凝土的导电组份选择的方案之一。

2 导电混凝土的压敏性

2010年卢召红等人[5]用钢渣碳纤维配制导电混凝土，研究了其压敏性。随着荷载的增加，电阻率的变化经历了三个阶段：电阻率下降阶段、电阻率平缓阶段和电阻率上升阶段。这是由于在压力的作用下，材料内部的密实程度发生变化，导电组份连接的几率发生改变。回国臣等人[6]在此基础上，研究了三向受压状态下碳纤维混凝土的力学量与电学量的关系。研究发现处于第一阶段（弹性阶段及弹塑性阶段）的碳纤维混凝土试块，其电阻率与荷载有很好的对应性，可以反映荷载的变化情况。

3 导电混凝土的温敏性

武汉理工大学李卓球教授等人于1998年首次报道了碳纤维混凝土的塞贝克效应[7，8]，温差电动势与温差成线性关系，具有重复、稳定的特点。随后研究了碳纤维掺量、水泥基体和养护龄期对塞贝克效应的影响，其中碳纤维掺量是影响塞贝克效应的主要因素。2002年，武汉理工大学的唐祖全[9]对碳纤维混凝土的电阻一温度特性进行了详细研究。在纤维掺量小于0.6%时，碳纤维混凝土电阻对温度变化很敏感，且随纤维含量的增加，碳纤维混凝土电阻温敏性的稳定性提高；含0.5%和0.6%纤维的碳纤维混凝土同时具有较高的敏感性和稳定性；当纤维含量超过0.8%时，碳纤维混凝土没有明显的温敏性。

4 导电混凝土的电热性

导电混凝土的电热性是指在外加电源作用下，混凝土放出热量的现象，即焦耳效应。赵若红等人[10]对钢纤维石墨导电混凝土的电热性研究当中，发现在升温过程中，电流随着混凝土温度的升高而增加，混凝土温度与电流之间的拟合关系基本成二次抛物线的变化规律。李滨等人[11]利用炭黑配制了轻集料导电混凝土，研究了炭黑掺量与电阻率的关系。结果表明炭黑导电混凝土在其滤渗区间电阻率下降明显，具有良好的导电性，可用于道路的融冰化雪。2004年，唐祖全等人[12]研究碳纤维导电混凝土的电热特性，他们导出了碳纤维导电混凝土板的电热升温曲线方程，它是一条单调增加的指数函数曲线，导电混凝土板的升温速率和升温幅度可以通过调整发热功率而进行调控。

5 存在的问题

目前关于导电混凝土的研究还出于实验阶段，存在以下两个关键问题，需要进一步研究解决：

1）导电相材料难以分散于混凝土中。对于纤维类材料，在搅拌时容易结团成束，不易分散，不能形成良好的导电网络，使导电混凝土的导电性能不能达到预期效果。对于石墨，焦炭等材料，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，故其导电性能差；当掺量较大时，由于石墨、焦碳的吸水性大，将加大混凝土拌合时的需水量，使混凝土的强度大幅降低，难以满足土木工程对力学强度的要求。

2）导电混凝土的造价普遍较高。由于导电混凝土中碳纤维、石墨等导电材料的价格昂贵，使其造价远远高于普通混凝土。这也是制约导电混凝土在实际工程中大量应用的一个因素。

参考文献

[1]Sherif Yehia，Christopher Y Tuan，David Ferdon，et al. Conductive conductive overlay for bridge deck deicing：naxture proportioning，optimization and properties[J].ACI Materials Journal，2000，97（2）：172～181.

[2]Sherif Yehia，Christopher Y Tuan.Conductive concrete overlay for bridege deck deicing[J]. ACI Materials Journal，1999，96（3）：382～390.

[3]史建华，赵建国，等.导电水泥复合材料接地模块的制备及性能研究[J].中北大学学报（自然科学版）.2014.

[4]SUN Mingqing， LI Zhouqiu， MAO Qizhao，et al， Study on the hole conduction phenomenon in carbon fiber reinforced concrete[J].Cem，Concr Res.1998，28（4）：549-554.

[5]卢召红，房君安，张云峰.碳纤维钢渣混凝土压敏、温敏性能试验分析[J].混凝土.2010.

[6]回国臣，吴献.三向受压导电混凝土物理力学性能试验研究[J].混凝土.2014.

[7]孙明清，李卓球，沈大荣.碳纤维水泥基符合材料的Seebeck效应[J].材料研究学报.1998.

[8]孙明清，李卓球，毛起.CFRC塞贝克效应的主要影响因素.材料研究学报[J].1998.

[9]唐祖全.碳纤维机敏混凝土路面结构融雪化冰性能研究[D].武汉理工大学工程结构与力学系.2002.

[10]赵若红，傅继阳，等.融雪除冰用钢纤维石墨导电混凝土电热及温敏性能研究[J].2011.

[11]李滨，孙明清，陈龙.用于融冰化雪的炭黑轻集料导电混凝土的配制和性能[J].混凝土.2010.

[12]唐祖全，李卓球，钱觉时.碳纤维导电混凝土在路面除冰雪中的应用研究[J].建筑材料学报.2004.

作者简介：邓斐（1991-），男，重庆万州人，硕士，主要从事电热混凝土研究。