导电混凝土研究综述

(广州大学 广东 广州 510006)

混凝土是目前使用量最大的一种建筑材料之一，因为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。并且随着现代科技的不断进步，混凝土逐渐向高功能和高性能发展。由于混凝土的优异性能，世界各地都在修建混凝土路面的路桥。而冰雪灾害导致路面结冰又是交通事故中很重要的影响因素[1]。

以前我们处理桥梁路面的融雪多是使用氯盐，但是长期使用氯盐来除雪不仅对结构有强烈的腐蚀性进而造成经济损失，还会对环境造成污染导致植物的坏死[2]。近年来，很多国家都开始关于导电混凝土在桥梁路面除冰应用方面的实验研究。所谓的导电混凝土，是在普通的混凝土中添加一定含量的导电材料制成的新型水泥基复合材料。它既有普通混凝土承受荷载的能力，又有良好的导电性和电热特性。运行的原理就是，在外加电流作用下，导电混凝土会因自身电阻而产生热量，使得路面温暖升高，从而达到融雪除冰的目的[3]。

导电混凝土可以根据导电相骨料和胶凝材料的不同组分和质量而具有不同的导电能力。目前广泛应用的领域有：接地装置、建筑物的避雷设备、消除静电装置、建筑采暖地面等。

一、导电混凝土主要性能指标

导电混凝土要求在满足工程程度的基础上，具有良好的导电性。其主要的性能指标包括强度、电导率或电阻率以及满足一切特殊性能要求的干缩性、导热性、耐久性等。

在设计导电混凝土的过程中，存在许多需要克服的问题。其中主要的问题是，在不降低混凝土机械性能的情况下，成品的导电特性必须达到适合特定用途的要求[5]。

导电混凝土的电阻率取决于导电相的电学性能、物理性能以及导电相与胶凝材料的相互作用。普通混凝土拌合物虽然是导电的，但虽然是电阻率很小，但是不适用。当拌合物硬化时，电阻率又会变大。所以要考虑往混凝土中掺入导电材料，使得整个混凝土基质中出现相连的导电粒子链，借助于电子的运动使之导电。由此看来，可以考虑掺入少量屑状、球状或者粒状的金属制成导电混凝土[6]。

二、导电混凝土的制备与理论基础

研究表明,导电水泥混凝土及导电高分子复合材料存在电导渗流现象。在导电组分材料与绝缘基体材料进行复合时,当导电相的体积含量小于某一临界值时,复合材料的电阻率随导电相体积含量的增加而缓慢减小,当导电相体积含量达到临界值时,复合材料的电阻率急剧减小,减小到几个甚至十个数量级以上。当导电材料的体积含量超过临界值后,电阻率趋于平缓。导电材料的临界体积含量成为渗滤闷值[7]。

因此,要制备具有良好导电性能的混凝土,导电材料的体积掺量应达到足以产生电导渗流的临界含量,即渗流阑值,但不宜超过太多[8]。

导电材料的形状和尺寸对导电网络的形成具有重要的影响,主要表现为:(l)导电纤维比导电粒子更容易形成导电网络;(2)纤维越细,相同体积含量时,纤维与纤维间更易于搭接,从而形成相互连通的导电纤维网络;(3)纤维越长越易搭接[9]。

由此可知,渗滤闹值与导电相的长径比有关。对纤维直径小,单丝长度大的纤维,掺人较少体积含量即会出现导电渗流现象,从而获得良好的导电性能。

因为普通混凝土的电阻率高，一般在106～109Ω·cm范围内，无法直接发电。所以需要特别的制备。目前用于配制导电混凝土的导电组分一般可以分为：石墨、碳纤维、钢纤维以及钢渣等[10]。

石墨不仅具有良好的导电性和导热性，而且化学性质稳定，耐酸碱，抗氧化性好。但必须在掺量较高时才能在混凝土内形成相互连通的导电网络。但因为石墨需水量很大，这会大大增加混凝土拌合物的用水量，使得混凝土的强度大幅度的降低[11]。

因为作为金属，钢纤维和钢渣具有良好的导电性。在混凝土中加入钢纤维，可以提高混凝土的抗拉、抗弯、抗剪等力学性能，并使得混凝土的抗冲击、抗疲劳、抗裂和耐久性有较大的提高。但随着时间的延长，钢纤维表面产生的氧化钝化膜会导致导电混凝土的电阻率上升[12]。

关于形成金属氧化膜的问题，可以通过使用不受水泥浆影响的导电材料加以解决。比如说碳类，但是，这些碳对水灰比也会有不良作用，从而也会对成型后的收缩及强度产生不利影响[13]。

但是因为钢纤维和钢渣导电混凝土的电阻率相对较大，所以这两者都不是制备导电混凝土的最佳导电成分。

三、小结

目前在导电混凝土的研究应用中还有一些问题有待解决：

(1)对于颗粒状或粉末状的石墨粉、碳粉以及钢屑这类导电材料的掺量比较不好控制。当掺量小时，不能形成良好的导电网络，导电性能差。当掺量较大时，因为导电材料的吸水性，会加大混凝土的需水量，使得混凝土强度降低。所以，目前还需要更好的研究和兼顾导电混凝土在力学与导电这两方面的性能要求。

(2)导电混凝土的造价普遍较高而且某些导电相的混凝土制备工艺还较为复杂。其中对相对较好的碳纤维来说，虽然在掺量方面，掺量较低时就可以形成导电网络。但由于其纤维搭接的接触面较小，其电导率低，需要加大纤维的掺量才能改善其导电性能。但是与此同时，过高的纤维又会使得纤维在搅拌时容易结成团，难以分散，也容易引入大量的气泡。因此，在制作过程中还需要加入消泡剂。