淺談導(dǎo)電混凝土的應(yīng)用價(jià)值*

張智雅，姜志煒，李麟杰，晏鳳元，張業(yè)茂

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 江蘇 南京 211167）

0 引言

目前，我國(guó)北方的采暖方式主要是暖氣片供暖，南方則是空調(diào)取暖。但是兩種取暖方式都有很大弊端，比如：浪費(fèi)煤炭資源、電能資源，甚至還會(huì)帶來諸多環(huán)境問題。導(dǎo)電混凝土在通電情況下，其中的導(dǎo)電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生電熱效應(yīng)，促進(jìn)其溫度升高，以達(dá)到建筑取暖的效果，并且節(jié)能環(huán)保。同時(shí)現(xiàn)階段導(dǎo)電混凝土被應(yīng)用到機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)道面等重要路面的融冰化雪上。飛機(jī)場(chǎng)易受到天氣的影響，雨雪天氣就很有可能造成航班的延誤，并且影響飛機(jī)的安全著陸。機(jī)場(chǎng)常用的除冰化雪方法有機(jī)械除雪法和化學(xué)融雪法。機(jī)械除雪法存在處理不徹底、對(duì)地面要求高、投入人力資源多、經(jīng)濟(jì)效益差等問題?；瘜W(xué)融雪法又會(huì)腐蝕地面、污染水和土壤，造成環(huán)境污染。導(dǎo)電混凝土在機(jī)場(chǎng)跑道等混凝土路面融冰化雪中的應(yīng)用，既能夠提高效率又能夠減少環(huán)境污染。因此利用導(dǎo)電混凝土優(yōu)良的導(dǎo)電性和電熱轉(zhuǎn)化能力，研究改善導(dǎo)電混凝土性能，可以推動(dòng)建筑取暖和機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)道路面的融冰化雪方面的研究發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了土木工程行業(yè)的發(fā)展。

1 導(dǎo)電混凝土

2.1 主要導(dǎo)電摻料

導(dǎo)電混凝土需要在普通混凝土基體中摻入石墨、鋼纖維、碳纖維、鋼渣、炭黑等具有良好導(dǎo)電性能的材料。

2.2 各種導(dǎo)電混凝土總體要求

（1） 強(qiáng)度目標(biāo)：C20；

（2） 電阻率大約在10～10000Ω.CM，即可用于建筑房屋采暖.；

（3）保證電阻的穩(wěn)定性，需要導(dǎo)電材料的摻量達(dá)到其滲流閾值。

2.3 導(dǎo)電混凝土種類

2.3.1 單摻石墨導(dǎo)電混凝土

石墨是同時(shí)具備優(yōu)秀導(dǎo)熱性能以及導(dǎo)電性能的導(dǎo)電材料，且化學(xué)性能穩(wěn)定，因此在很多制品中被用作導(dǎo)電材料[1]。

根據(jù)其本身良好的導(dǎo)電性質(zhì)，李仁福等[2]人的研究表明石墨導(dǎo)電混凝土應(yīng)用于建筑采暖具有一定的可行性。但是石墨摻量是其限制因素，只有摻量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)混凝土才具備良好的導(dǎo)電性，因此其力學(xué)性能被大大地降低，且石墨同時(shí)存在需水量很大的問題，這也導(dǎo)致了石墨導(dǎo)電混凝土力學(xué)性能下降，從而使得混凝土力學(xué)性能達(dá)不到要求。并且石墨混凝土電阻率隨齡期變化穩(wěn)定性較差。

2.3.2 單摻碳纖維導(dǎo)電混凝土

我國(guó)在單摻碳纖維導(dǎo)電混凝土領(lǐng)域取得了較大的進(jìn)展，如楊元霞等[3]人的研究揭示了碳纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，摻量越大其導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)越容易形成，為融雪化冰應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。又因?yàn)樘祭w維導(dǎo)電混凝土電阻隨溫度變化很小且發(fā)熱采暖時(shí)功率穩(wěn)定，經(jīng)唐組全等人實(shí)驗(yàn)證實(shí)了碳纖維導(dǎo)電混凝土能夠融雪化冰。適當(dāng)添加碳纖維，不僅使混凝土的導(dǎo)電性能提高，而且抗折性能也優(yōu)于普通混凝土。因此，碳纖維混凝土具有良好的工程應(yīng)用前景。

2.3.3 單摻炭黑導(dǎo)電混凝土

雖然相比單摻石墨導(dǎo)電混凝土，單摻碳纖維混凝土與單摻炭黑混凝土都較為穩(wěn)定，但是在價(jià)格上單摻碳纖維導(dǎo)電混凝土相比炭黑導(dǎo)電混凝土則處于劣勢(shì)，其價(jià)格遠(yuǎn)高于炭黑導(dǎo)電混凝土。炭黑價(jià)格低且廣泛，故炭黑導(dǎo)電混凝土有廣闊的前景。吳獻(xiàn)等通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)炭黑摻量較高時(shí)，導(dǎo)電混凝土電阻率低，導(dǎo)電性能越好。同時(shí)導(dǎo)電炭黑導(dǎo)電混凝土隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，穩(wěn)定性越好。2.3.4單摻鋼纖維導(dǎo)電混凝土

鋼纖維本身有極好的導(dǎo)電性，且摻入混凝土中可以提高混凝土的力學(xué)強(qiáng)度。但是單摻鋼纖維導(dǎo)電混凝土長(zhǎng)期電阻起伏大。當(dāng)摻量大時(shí)才可導(dǎo)電，但因摻量大容易結(jié)團(tuán)，當(dāng)摻量小時(shí)無法形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這樣其電熱性能便不顯著。

2.3.5 復(fù)摻鋼渣、鋼纖維導(dǎo)電混凝土

由于單摻鋼纖維導(dǎo)電混凝土無法達(dá)到融雪化冰的要求，美國(guó)Sherif Yehia等[4]人在普通混凝土中復(fù)摻了鋼渣、鋼纖維，研究發(fā)現(xiàn)將這種混凝土通電用于融雪化冰時(shí)，交流電發(fā)熱較均勻且力學(xué)性能極其優(yōu)越。但是隨著時(shí)間變長(zhǎng)電阻也逐漸增大（增幅很大），增大后的混凝土其路面除冰融雪受到了極大影響。

3 建筑采暖應(yīng)用

3.1 現(xiàn)階段傳統(tǒng)供暖方式中出現(xiàn)的問題

目前，常用的地板輻射采暖材料有：電纜、電熱膜和低溫?zé)崴?。其中，低溫?zé)崴懿牧洗嬖跓崃繐p失嚴(yán)重、占用空間大等缺點(diǎn)；電纜、電熱膜材料都是鋪設(shè)在裝飾層的下面，當(dāng)發(fā)生故障維修時(shí)需要破壞全部裝飾層，造成資源大量浪費(fèi)[5]。此外，地暖費(fèi)用高、消耗大、污染重。北方冬天供暖主要方式為暖氣供暖，其中暖氣片在取暖過程中周圍區(qū)域的溫度較高，造成局部空間溫度過高，特別是靠近暖氣的地方并不舒適，有時(shí)高溫還會(huì)把墻面熏黑；并且暖氣也存在許多問題，北方的暖氣熱投資費(fèi)高，耗費(fèi)大量煤炭資源，對(duì)環(huán)境造成很大的污染。南方同樣存在諸多問題，我國(guó)南方地區(qū)冬天供暖方式主要是空調(diào)制熱供暖，在制熱時(shí)熱氣放出的熱量與室內(nèi)冷空氣進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流，促使室內(nèi)溫度逐漸升高，由于熱空氣密度小和空調(diào)的放置位置，熱空氣基本上飄浮或慢慢上浮在室內(nèi)的上半部分，房間下半部分溫度不熱；且強(qiáng)制對(duì)流會(huì)造成室內(nèi)空氣質(zhì)量渾濁，使人感覺很悶，對(duì)身體造成傷害；同時(shí)耗電嚴(yán)重，維護(hù)成本較高。

3.2 導(dǎo)電混凝土的優(yōu)勢(shì)

在普通混凝土中加入特定導(dǎo)電組分材料形成的導(dǎo)電混凝土具有多種優(yōu)良性質(zhì)。由于導(dǎo)電介質(zhì)電阻率穩(wěn)定，通電后導(dǎo)電混凝土可以產(chǎn)生電熱效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，促進(jìn)其溫度升高。該過程節(jié)能環(huán)保，減少了煤炭、電等高耗能資源的投入，還對(duì)人體健康無害。

4 路面除冰融雪應(yīng)用

4.1 現(xiàn)階段傳統(tǒng)除冰方法及劣勢(shì)

路面除冰方式主要有化學(xué)除冰和機(jī)械除冰兩種?；瘜W(xué)除冰法是在路面撒工業(yè)用鹽，該種方法通過鹽能使得冰的熔點(diǎn)升高，有效除雪。雖然該種方法具有成本低的優(yōu)勢(shì)，但長(zhǎng)期使用這種方法會(huì)造成極大的破壞，例如破壞植被、危害地下水、腐蝕建筑物、危害瀝青道路路面等。除冰鹽含有的化學(xué)物質(zhì)具有腐蝕性，鈉離子、氯離子破壞了植被的滲透壓；地下水中的二氧化氮離子超標(biāo)，飲用過多會(huì)造成人中毒；建筑物中氯離子會(huì)和金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成金屬破壞；除此之外，除冰鹽導(dǎo)致表面瀝青脫落，大大降低了路面耐久性，縮短了公路的齡期。機(jī)械除冰方式有很多缺點(diǎn)，該方法耗費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力資源。在機(jī)械除冰的操作過程中，工作路面要求被封鎖會(huì)影響人們正常的交通出行。機(jī)械除冰還存在應(yīng)用局限，路面坡度、雪層厚度及室外的氣溫狀況都會(huì)影響除冰設(shè)備的正常運(yùn)行。此外，機(jī)械除冰后機(jī)械設(shè)備多方面性能都容易下降，需要進(jìn)一步維修和保養(yǎng)。因此，機(jī)械除冰是一種不理想的除冰方式，在路面除冰過程中應(yīng)盡量避免使用該方法。

4.2 導(dǎo)電混凝土的優(yōu)勢(shì)及工作機(jī)理

導(dǎo)電混凝土既具有普通混凝土的力學(xué)性能，又具有良好的導(dǎo)電性能，且導(dǎo)電混凝土相比普通混凝土成本相對(duì)不高。工作時(shí)只要對(duì)導(dǎo)電混凝土通電，利用導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電性和電流的發(fā)熱效應(yīng)，使得混凝土加熱，以此除冰融雪。與外部電源連通后，導(dǎo)電混凝土利用自身優(yōu)良的導(dǎo)電性迅速將電能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生的熱量使路面溫度升高。同時(shí)在冰全部融化成水的冰融過程中，溫度一直保持不變。

4.3 電熱層的設(shè)置方法

導(dǎo)電混凝土電熱層的設(shè)置不同，會(huì)對(duì)混凝土路面除冰融雪效產(chǎn)生不同的效果。當(dāng)把整個(gè)混凝土路面板都制作成導(dǎo)電混凝土，不僅會(huì)浪費(fèi)建筑材料還會(huì)讓裝置消耗大量熱量，從而降低了融雪效果。當(dāng)導(dǎo)電混凝土設(shè)置在板中央時(shí)，上下設(shè)置普通混凝土層，上層普通混凝土接收的熱量可以用來除雪融冰，但是下層的熱量傳入地基，相當(dāng)于熱損失。唐祖全等[6]設(shè)置電熱層采用導(dǎo)電混凝土覆層的形式，即在路面的表層設(shè)置導(dǎo)電混凝土層，其下為絕熱層，再下面設(shè)置普通混凝土結(jié)構(gòu)層。在導(dǎo)電混凝土與普通混凝土之間設(shè)置絕熱層，從而能夠阻止熱量向下傳導(dǎo)[7]。導(dǎo)電混凝土層的厚度是重要的考慮因素，需選擇適中的厚度，高領(lǐng)等人指出導(dǎo)電混凝土層的厚度太厚會(huì)影響除冰融雪的效果，但是混凝土層太薄則不利于施工同時(shí)會(huì)降低道路的耐磨性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，混凝土的層的最佳厚度為40～50mm。這時(shí)既可以節(jié)約資源又可以達(dá)到良好的除雪融冰效果。

導(dǎo)電混凝土通電后所產(chǎn)生的熱量，絕大部分會(huì)被路面上的冰雪吸收，加快除冰融雪的速度、降低施工難度，同時(shí)提高了施工效率，降低了能耗。

5 現(xiàn)階段研究現(xiàn)狀

美國(guó)的Yehia S和Christopher Y Tuan對(duì)多種纖維混凝土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鋼纖維鋼屑混凝土導(dǎo)電性優(yōu)良[8]，并且將其充分地應(yīng)用到橋梁路面的融冰試驗(yàn)中。

針對(duì)如何在很低的電壓情況下將導(dǎo)電混凝土快速變熱這一問題，英國(guó)費(fèi)萊爾集團(tuán)提出了研究方案。

李卓球等人通過對(duì)多種混凝土進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)碳纖維的發(fā)熱原理最佳，并且指出摻入適宜含量的碳纖維混凝土可以促進(jìn)地面的融雪化冰。

通過對(duì)碳纖維混凝土的性能進(jìn)行研究，DD.LChung教授發(fā)現(xiàn)纖維混凝土除了具備優(yōu)良的電熱性能還具備熱儲(chǔ)存性能，這一發(fā)現(xiàn)讓碳纖維混凝土在熱工程應(yīng)用中有了進(jìn)一步發(fā)展。

陳洋臣指出突破電壓和混凝土溫度相關(guān)，通過多組實(shí)驗(yàn)探求到鋼纖維混凝土的突破電壓為25V～30V。

高中民[9]指出導(dǎo)電混凝土是一種新型的“智能”型材料，憑借其優(yōu)良特性今后在結(jié)構(gòu)工程、電工工程以及家庭取暖等領(lǐng)域脫穎而出。

劉數(shù)華[10]指出導(dǎo)電混凝土制備與應(yīng)用的關(guān)鍵是在力學(xué)性能、導(dǎo)電性能及經(jīng)濟(jì)性之間找到平衡點(diǎn)。

6 結(jié)語

導(dǎo)電混凝土是一種具備良好的熱和電的感知和轉(zhuǎn)換能力新型的混凝土，具有高效率、低污染等優(yōu)點(diǎn) [11]。應(yīng)用于室內(nèi)采暖時(shí)，導(dǎo)電混凝土的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能良好同時(shí)造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單、保溫效果良好且環(huán)保。應(yīng)用于道路融雪化冰時(shí)導(dǎo)電混凝土制備及使用方法容易，可控制性強(qiáng)，對(duì)環(huán)境的破壞小，有利于可持續(xù)發(fā)展。因此加快對(duì)導(dǎo)電混凝土的研究，可大大推動(dòng)建筑采暖和道路除冰融雪的進(jìn)程，推動(dòng)建筑行業(yè)的發(fā)展。