新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土的研制及接地試驗(yàn)研究

胡 琥，田昕，韓利紅，陳 彬，李顯秋，劉艷慧，李 靖

(1．云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650201;

2．云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 節(jié)能減排檢測與研究工程中心，云南 昆明 650201)

在電力系統(tǒng)(如變電站、風(fēng)電場等)和特殊建筑物(如加油站等)接地施工過程中，由于對(duì)接地電阻要求高，為降低接地電阻各項(xiàng)工程中均大量采用降阻劑。無論是傳統(tǒng)的化學(xué)降阻劑和目前廣泛使用的物理降阻劑都存在自身無法凝固而流失的缺點(diǎn)，由此造成的環(huán)境危害巨大。在綠色和環(huán)保呼聲越來越高的今天，必須考慮接地工程對(duì)環(huán)境造成的污染，否則再高的性能也會(huì)被一票否決［1-2］。因此，研究開發(fā)性能可靠、綠色環(huán)保的接地工程技術(shù)和材料就顯得尤為重要和急迫。本文，通過對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電混凝土的研究，開發(fā)出一種價(jià)格低廉、配制簡單、綠色環(huán)保的導(dǎo)電混凝土材料，并通過接地工程對(duì)比性試驗(yàn)，性能優(yōu)越。

1 環(huán)保導(dǎo)電混凝土研制

導(dǎo)電性能的優(yōu)劣是導(dǎo)電混凝土的第一要素，反映混凝土導(dǎo)電性能的指標(biāo)就是材料的電阻率。為獲得盡可能低的電阻率本文先后嘗試使用了多種不同種類和規(guī)格的導(dǎo)電材料、不同的配制比例、不同的制造工藝，最終在平衡制造成本及配置工藝等各方面因素后找到了最優(yōu)化方案，方案特點(diǎn)簡介如下:

(1)定制了一種新型納米技術(shù)碳纖維復(fù)合材料，這種材料本身較普通材料在抗粘結(jié)性方面有了很大的改善，而且又先將這種材料與超細(xì)鱗片石墨的物理混合，利用石墨的潤滑性和擴(kuò)散性將纖維之間的粘結(jié)性降到最低。

(2)使用了與硅灰相似的石粉材料又一次起到了分散纖維的作用，而且此材料較硅灰成本低廉且來源廣泛。

(3)以物理分散方式取代了傳統(tǒng)的化學(xué)分散方式，較好地解決了纖維結(jié)團(tuán)不易分散均勻的問題，為在工程中方便應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖1 是本文配制導(dǎo)電混凝土和普通石墨型導(dǎo)電混凝土電阻率的對(duì)比圖。

圖1 新型導(dǎo)電混凝土和普通石墨導(dǎo)電混凝土電阻率的對(duì)比圖

圖1 中對(duì)比用的是碳含量為95%的優(yōu)質(zhì)鱗片石墨，比例為15%;從材料和比例來看應(yīng)屬于很好的石墨型導(dǎo)電混凝土，但與采用復(fù)合材料的導(dǎo)電混凝土相比其導(dǎo)電性能明顯不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。而且，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，石墨型的電阻率還在逐步升高，而復(fù)合材料型的卻一直變化很小，導(dǎo)電性能非常穩(wěn)定，這也是一大優(yōu)勢，即在混凝土初凝階段就已具備良好和穩(wěn)定的導(dǎo)電性能。在將導(dǎo)電混凝土作為降阻劑使用時(shí)，復(fù)合型導(dǎo)電混凝土在澆筑后很快就可進(jìn)行效果測試，其值與混凝土凝固后的數(shù)值基本一致，大大提高了工作效率，縮短了工作周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益［3-4］。

2 接地對(duì)比試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土的工程實(shí)效，本文選取目前電力系統(tǒng)接地工程常用的幾種降阻技術(shù)方案，在選定的試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行接地降阻工程對(duì)比性試驗(yàn)。

2．1 試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)

選擇500 m2的空地進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)分為2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)為225 m2(圖2)。

試驗(yàn)區(qū)Ⅰ:225 m2(15 m ×15 m)，降阻劑、降阻水泥和環(huán)保導(dǎo)電混凝土試驗(yàn)區(qū)。

試驗(yàn)區(qū)Ⅱ:225 m2(15 m ×15 m)，接地模塊和電解電極試驗(yàn)區(qū)。

圖2 接地工程試驗(yàn)區(qū)圖

2．2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2．2．1 地網(wǎng)格點(diǎn)布局

在試驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ區(qū)，每隔5 m 確定1 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)有16 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)共有32 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，如圖3 所示。(以試驗(yàn)Ⅰ區(qū)為例，試驗(yàn)Ⅱ區(qū)按同樣方法測定土壤電阻率。)

圖3 試驗(yàn)Ⅰ區(qū)地網(wǎng)格點(diǎn)布局

2．2．2 測量方法

在建好的地網(wǎng)上，進(jìn)行面積與降阻試驗(yàn)。用SGT50 接地電阻測試儀(武漢維爾科技)，測量不同的地網(wǎng)面積接地電阻(如圖4、圖5、圖6 所示)。測量時(shí)將地網(wǎng)分為5 m×5 m 的若干個(gè)部分，測定單個(gè)部分和組合部分接地電阻，地網(wǎng)用50 mm×5 mm 扁鋼連接，扁鋼放置深度為0．8 m。

第一步:測量A 中A1 ～A4 各點(diǎn)的接地電阻。

圖4 接地電阻測量第一步圖示

第二步:先測量B 中B1 ～B2 點(diǎn)的接地電阻，然后將A、B 連接，測量A1 ～A4 和B1 ～B2 的接地電阻。

圖5 接地電阻測量第二步圖示

第三步:先測量C 中C1 ～C2 點(diǎn)的接地電阻，然后將A、B、C 連接，測量A1 ～A4、B1 ～B2、C1 ～C2的接地電阻。以此類推，測定所有部分和組合電阻率。

圖6 接地電阻測量第三步圖示

2．2．3 試驗(yàn)步驟

在試驗(yàn)Ⅰ區(qū)進(jìn)行降阻劑、降阻水泥和新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土3 種材料的試驗(yàn)，在試驗(yàn)Ⅱ區(qū)進(jìn)行降阻接地模塊、電解地極2 種材料的試驗(yàn)。

(1)Ⅰ區(qū)試驗(yàn)

(a)在試驗(yàn)Ⅰ區(qū)的16 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上，埋入50 cm高的降阻水泥柱，深度為0．8 m，測量接地電阻。

(b)在試驗(yàn)Ⅰ區(qū)，將降阻水泥柱取出，灌入新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土漿，深度為0．8 m，測量接地電阻。

(c)在試驗(yàn)Ⅰ區(qū)，完全清理新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土，灌入降阻劑，深度為0．8 m，測量接地電阻。

(2)Ⅱ區(qū)試驗(yàn)

(a)在試驗(yàn)Ⅱ區(qū)的16 個(gè)網(wǎng)格接點(diǎn)下，埋入降阻模塊，深度為0．8 m，測量接地電阻。

(b)將接地模塊取出，16 個(gè)網(wǎng)格接點(diǎn)下，埋入16 套電解地極，深度為0．8 m，測量接地電阻。

(3)測量方位試驗(yàn)

在試驗(yàn)Ⅰ區(qū)和試驗(yàn)Ⅱ區(qū)的每組試驗(yàn)中，當(dāng)每組試驗(yàn)的16 個(gè)網(wǎng)格全部連接后，用四極測量方法，測定4 個(gè)方向的接地電阻，每組試驗(yàn)在每個(gè)方向3 次重復(fù)。

2．3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2．3．1 土壤初始電阻率試驗(yàn)

在試驗(yàn)Ⅰ區(qū)和試驗(yàn)Ⅱ區(qū)，采用四級(jí)法，測量土壤初始電阻率。在測量中，用長為1．2 m 角鋼，打入地下1．0 m，測量土壤初始電阻率，每組測點(diǎn)重復(fù)3 次。

測量結(jié)果表明，試驗(yàn)Ⅰ區(qū)土壤初始電阻率在53．30 ～56．95 Ω·m，平均為54．75 Ω·m;試驗(yàn)Ⅱ區(qū)土壤電阻率在43．19 ～70．86 Ω·m，平均為57．00 Ω·m，如表1、表2 所示。

表1 試驗(yàn)Ⅰ區(qū)土壤初始電阻率(Ω·m)

表2 試驗(yàn)Ⅱ區(qū)土壤初始電阻率(Ω·m)

2．3．2 降阻材料對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

選擇長效物理防腐降阻劑、MEM 離子電解地極、MEM 離子換土料、HWG -M -1 接地模塊、降阻水泥、新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 試驗(yàn)降阻材料參數(shù)

表4 為幾種降阻材料的對(duì)比試驗(yàn)。表中的結(jié)果表明，降阻劑和新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土的作用效果較好，與水平地網(wǎng)初始接地電阻值相比，增加降阻劑和新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土后，接地電阻分別降低了29．5%和21．1%;降阻水泥柱的接地電阻降低了16．7%。接地模塊和電解地極的降阻效果一般，這是由于接地模塊和電解地極實(shí)質(zhì)上是起到垂直接地的作用，而垂直接地的效果分析表明，增加垂直接地體，對(duì)降低地網(wǎng)的接地電阻作用較小。因此，電解地極要與其他降阻材料組合使用，才能提高降阻的效果。

表4 降阻材料效果對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

本文所研制的復(fù)合材料導(dǎo)電混凝土不僅在導(dǎo)電性上完全達(dá)到甚至超過很多降阻劑材料(降阻劑國家標(biāo)準(zhǔn)為電阻率小于5 Ω·m，本文研制的復(fù)合材料導(dǎo)電混凝土電阻率小于0．5 Ω·m。同時(shí)，最大的優(yōu)勢在于綠色環(huán)保，其中的所有材料均不含有對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)。在國家大力推廣綠色環(huán)保政策的今天，這尤為難能可貴。由于混凝土自身的凝固特點(diǎn)，在土壤中不會(huì)隨時(shí)間而流失，對(duì)接地體不僅沒有腐蝕作用而且還有保護(hù)作用，能長時(shí)間穩(wěn)定的起到降阻作用，也降低了后期使用和維護(hù)的成本，是一種非常理想的綠色環(huán)保型的降阻材料［5］。

3 結(jié)論

在對(duì)新型環(huán)保導(dǎo)電混凝土的研制和探索過程中，通過不斷調(diào)整材料、配比、改進(jìn)工藝獲取了豐富的數(shù)據(jù)，通過工程試驗(yàn)研究獲得了滿意的結(jié)果。

(1)含碳量高且細(xì)度高的鱗片石墨有利于提高導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電性能。

(2)以新型碳纖維導(dǎo)電材料為主，輔以其它材料的復(fù)合型導(dǎo)電混凝土其導(dǎo)電性能要遠(yuǎn)高于石墨型導(dǎo)電混凝土而且性能更穩(wěn)定。

(3)根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果，無論導(dǎo)電性能和環(huán)保性能，新型導(dǎo)電混凝土都是非常理想的降阻劑材料，可完全取代傳統(tǒng)降阻劑用于接地系統(tǒng)中。

(4)復(fù)合材料導(dǎo)電混凝土的所有材料均不含有對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，綠色環(huán)保。

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