水泥基導(dǎo)電混凝土研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

夏艷晴,王 寧,張超明,陽黎,張雨晴

(1.嘉華特種水泥股份有限公司,樂山 614000;2.西南科技大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院,綿陽 621010;3.中鐵二局集團有限公司,成都 610000)

在氣候惡劣的城市,冰雪會嚴重影響道路交通,造成事故率和道路維修成本顯著增加。此外,隨著全球降水量和勞動力成本的增加,世界各國除雪成本在過去幾年中顯著增加。例如,美國明尼蘇達州圣保羅機場的除雪預(yù)算約為每年 400萬美元,而蒙特利爾的除雪計劃接近1.6億美元/年。近年來,大量研究利用焦耳效應(yīng)[1-3]開發(fā)了由導(dǎo)電混凝土 (ECC) 制成的道路加熱板。在ECC中,將導(dǎo)電物質(zhì)添加到水泥混凝土中,以建立用于導(dǎo)電的通路。ECC加熱系統(tǒng)的優(yōu)點是溫度分布更均勻,維護和維修成本低。水泥混凝土導(dǎo)電的原因在于:首先是固體導(dǎo)電相 (例如纖維,粉末,骨料等) 形成的滲濾網(wǎng)絡(luò)的電子傳導(dǎo);其次是水泥漿中的離子在孔隙溶液中運動進行的電解傳導(dǎo)[3]。

導(dǎo)電混凝土是利用膠凝材料和導(dǎo)電材料(石墨、碳纖維、鋼纖維等)制備的復(fù)合功能混凝土。其不僅具有一定的荷載承受能力,而且具備導(dǎo)電和導(dǎo)熱的功能,是一種功能型復(fù)合水泥基材料。目前,導(dǎo)電混凝土根據(jù)膠凝材料的不同,可分為三大類:無機類導(dǎo)電混凝土(如水泥混凝土)、有機類導(dǎo)電混凝土(如瀝青混凝土)和復(fù)合類導(dǎo)電混凝土(如聚合物混凝土);按照導(dǎo)電材料不同,可分為碳質(zhì)類(如石墨、炭黑、碳纖維等)導(dǎo)電混凝土和金屬類(鋼纖維)導(dǎo)電混凝土。論文針對水泥基導(dǎo)電混凝土,綜述了原材料對導(dǎo)電混凝土性能的影響,此外還介紹了導(dǎo)電混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 原材料對水泥基導(dǎo)電混凝土性能的影響

1.1 石墨對導(dǎo)電混凝土性能的影響

石墨粉的細度和摻量對混凝土的工作性、強度和導(dǎo)電性均有影響。疏水性的鱗片狀石墨,可以削弱新拌混凝土的工作性能。史延田等[4]研究指出,隨著石墨粉摻量增加,新拌混凝土工作性能下降,表現(xiàn)為摻入石墨粉的混凝土流動性、粘聚性和保水性較差。而有研究表明[5]:石墨粉的加入,不影響混凝土的工作性能。

在混凝土中加入石墨粉,混凝土3 d、7 d、28 d強度降低,尤其是早期強度降低幅度大[6]。原因在于:石墨粉表面疏水;石墨粉一般細度超過300目,比表面積大,需水量大;石墨微觀結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu),容易解理滑動,其摩擦系數(shù)小于0.1,宏觀表現(xiàn)為石墨與水泥漿體粘結(jié)不牢固[7]。為了解決石墨與水泥石粘結(jié)問題,專利申請?zhí)枮镃N200510064446.1,名稱為“一種摻石墨的導(dǎo)電混凝土的制備方法”,采用濕法高壓擠壓成型制作工藝,即混凝土成型后,進行高壓擠壓,濾除多余的水分,混凝土密實度提高,強度提高。

對于導(dǎo)電性,張文福等[8]的試驗結(jié)果表明:隨著養(yǎng)護齡期的增加,導(dǎo)電混凝土電阻率增加;相同齡期的混凝土,當(dāng)石墨的摻量小于20%時,混凝土電阻率隨石墨摻量的增加而減少。研究[9]發(fā)現(xiàn),導(dǎo)電混凝土中,石墨的摻量有個臨界值(滲流閾值),即當(dāng)石墨摻量小于某個值(閾值)時,混凝土電阻率急劇下降,導(dǎo)電性能大幅增加;當(dāng)石墨摻量超過閾值,隨著摻量增加,混凝土導(dǎo)電性能不再提高,但強度會大幅下降。原因是當(dāng)混凝土內(nèi)石墨含量達到一定程度時,會形成導(dǎo)電鏈子,石墨摻量超過閾值后,對混凝土導(dǎo)電性能的作用不大。過多的石墨摻量不僅對混凝土力學(xué)性能不利,而且經(jīng)濟效益差,因此,滲流閾值在實際工程中有重要作用。

1.2 碳纖維對導(dǎo)電混凝土性能的影響

碳纖維是一種人工合成纖維,具有耐堿腐蝕、高抗拉強度、導(dǎo)電性等優(yōu)良性能。混凝土中加入碳纖維,可提高混凝土抗拉強度,同時顯著增加混凝土導(dǎo)電性。

碳纖維的長度和體積摻量對導(dǎo)電混凝土的工作性能具有較大影響。陳龍風(fēng)[10]研究表明:隨著碳纖維摻量增加,混凝土的坍落度和擴展度均減小,與普通混凝土相比,含氣量隨之增大。趙晶等[11]研究發(fā)現(xiàn),新拌碳纖維導(dǎo)電混凝土坍落度經(jīng)時損失隨碳纖維體積摻量的增加而增加。隨著碳纖維摻量的增加,新拌混凝土流動性下降,粘聚性和保水性提高,含氣量提高。

水泥基混凝土屬于脆性材料,抗拉強度低,收縮大,易開裂。加入碳纖維后,抗拉強度會大幅度提高,而抗壓強度則可能降低。劉洪濤[12]研究表明,當(dāng)碳纖維體積摻量在0.24%時,混凝土抗壓強度和抗拉強度達到最大值。何建試驗后發(fā)現(xiàn),當(dāng)碳纖維體積率為0.5%時,混凝土立方體抗壓強度最高。佟鈺[13]研究表明:當(dāng)碳纖維體積率低于1%時,與3 mm纖維相比,5 mm纖維可以顯著提高導(dǎo)電混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度。過量的碳纖維在分散和攪拌過程中會引入大量氣泡,使混凝土含氣量增大。此外,當(dāng)混凝土碳纖維的體積率較高時,不能在基體中均勻分散而是發(fā)生團聚,造成基體整體粘結(jié)性較差,承受荷載時,造成應(yīng)力集中而開裂。故就力學(xué)性能而言,碳纖維的體積率不能超過1%。

如圖1所示,隨著碳纖維體積率的增加,混凝土的電阻率降低,碳纖維滲濾閾值通常在0.4%～1%之間。當(dāng)碳纖維體積率接近該閾值時,增加碳纖維體積率可以明顯降低導(dǎo)電混凝土的電阻率;當(dāng)碳纖維體積率超過閾值時,碳纖維摻量對混凝土導(dǎo)電性的影響較小,電阻率趨于某一極限值[14]。碳纖維閾值存在的原因是:當(dāng)纖維摻量較低時,纖維之間不能相互搭接形成導(dǎo)電通路,導(dǎo)電性差;隨著碳纖維體積摻量的增加,導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)對于導(dǎo)電能力的貢獻逐漸增加;超過閾值后,混凝土中含氣量增加,混凝土導(dǎo)電性不再增加,甚至下降。綜合碳纖維對導(dǎo)電混凝土工作性、力學(xué)性能和導(dǎo)電性的影響規(guī)律,考慮經(jīng)濟性, 碳纖維體積率不能超過1%。

1.3 鋼纖維對導(dǎo)電混凝土性能的影響

鋼纖維廣泛用于超高性能混凝土(UHPC)中,能夠極大地提高混凝土的力學(xué)性能。有學(xué)者針對鋼纖維不同體積率對混凝土物理力學(xué)性能的影響作了試驗研究,結(jié)果表明:鋼纖維體積率在1.0%～2.5%時,混凝土彎拉強度增長速度較快。丁海鵬等[15]研究了不同鋼纖維摻配比例對UHPC性能的影響,結(jié)果表明:鋼纖維體積率在20%以內(nèi),混凝土坍落度和擴展度增加。摻入鋼纖維能使膠凝材料間粘聚性降低,從而提高混凝土流動性和整個體系的均勻性,進而使混凝土工作性得到保證。

研究發(fā)現(xiàn),混凝土中單摻鋼纖維,混凝土的電阻率基本沒有減小。雖然鋼纖維也是一種導(dǎo)電相,但由于在混凝土其體積率一般較小,不能形成良好的電流回路。美國Sheriff Yehia等在鋼纖維混凝土中摻入鋼屑來提高其導(dǎo)電性能,成功地將混凝土的電阻率降到了幾十Ω·cm。Yehia和Tuan研究發(fā)現(xiàn),隨著齡期的增加,鋼纖維混凝土的電阻率明顯增加,原因是混凝土內(nèi)部pH>12.5,鋼纖維發(fā)生鈍化作用從而降低混凝土導(dǎo)電性。因此,單摻鋼纖維的長齡期混凝土導(dǎo)電性能較差。目前,有研究將鋼纖維與鋼渣混合使用,不僅可以改善長齡期混凝土導(dǎo)電性下降現(xiàn)象,而且解決廢渣利用問題,節(jié)能環(huán)保。也有采用鋼纖維與石墨混合使用的研究,其中,石墨占粉體材料10%～15%、鋼纖維在混凝土中的體積率為1.0%左右時,制備的導(dǎo)電混凝土性能穩(wěn)定,此時電阻率為40～50 Ω·m。

2 水泥基導(dǎo)電混凝土的應(yīng)用

2.1 導(dǎo)電混凝土作為電熱土木工程材料

導(dǎo)電混凝土接通電源后,混凝土通電發(fā)熱,產(chǎn)生大量熱能。在我國北方需要取暖的地區(qū),導(dǎo)電混凝土室內(nèi)加熱裝置可以代替現(xiàn)有的暖氣裝置,通電后可快速加熱室內(nèi)空氣,對于節(jié)能降耗、減少碳排放具有非常重要的社會意義和經(jīng)濟價值。此外,導(dǎo)電混凝土可以鋪裝路面,通電發(fā)熱加速路面冰雪融化,一方面可以確保車輛安全通行,避免交通事故;另一方面,減少除冰鹽和除冰機械對路面的破壞,增加路面耐久性。

2.2 制作電熱元件

由石墨、普通硅酸鹽水泥和鋁質(zhì)耐火材料組成的導(dǎo)電混凝土,既具有普通混凝土優(yōu)異的可澆筑性,還具有一定的耐高溫性和導(dǎo)電性,因此這種混凝土是一種較為理想的電阻加熱元件。在制備過程中,調(diào)節(jié)混凝土中的石墨摻量,就可調(diào)整混凝土的導(dǎo)電性,以滿足各種電熱元件的功率要求。這種新型的無機非金屬電熱元件,電流可在整個混凝土電熱元件內(nèi)部均勻地流過,單位面積所允許通過的最大電流比較大,工作穩(wěn)定且功率高。此外,導(dǎo)電混凝土電熱元件的體積可以制作得比較大,從而提高散熱面積,使得散熱快且均勻,電熱元件表面的溫度低,可以避免出現(xiàn)明火,大大提高了安全性。

2.3 導(dǎo)電混凝土用于接地工程

導(dǎo)電混凝土具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性,可用于輸電線路的接地工程。我國將導(dǎo)電混凝土用作水利大壩的接地工程中已是成熟技術(shù),如喬山水電站、白沙水電站和芹山水電站均有使用導(dǎo)電混凝土。

導(dǎo)電混凝土應(yīng)用于接地工程中的方法是將其灌入垂直接地體的深孔中,接地體被導(dǎo)電混凝土握裹。該施工方法一方面可以防止接地體腐蝕;另一方面,可增加接地體與周圍土壤的接觸面積,降低接地電阻。高壓輸電網(wǎng)接地體易腐蝕的原因是接地體表面與土壤直接接觸,接觸面既有電子傳導(dǎo),又有離子傳導(dǎo),兩種不同導(dǎo)電原理的電荷交換界面容易腐蝕,接觸體壽命短。利用導(dǎo)電混凝土握裹接地體,由于導(dǎo)電混凝土通過電子進行導(dǎo)電,混凝土與接地體接觸面均為電子傳導(dǎo),因此接觸面不會腐蝕。又因?qū)щ娀炷林旅?土壤內(nèi)離子不易通過混凝土滲透到接地體表面,消除了兩種不同導(dǎo)電原理的電荷交換界面,可以防止鋼材接地體的腐蝕,延長其使用壽命。

至于提高導(dǎo)電混凝土的抗?jié)B性,可在膠凝材料中加入膨脹劑,使混凝土在凝結(jié)硬化過程產(chǎn)生一定的體積膨脹和自應(yīng)力,減少混凝土的化學(xué)收縮、自收縮和干燥收縮,提高混凝土的抗裂性和抗?jié)B性,同時使其與接地體表面和地層緊密結(jié)合,從而消除接地體與土壤間的接觸電阻。

2.4 混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測

混凝土結(jié)構(gòu)在受到荷載或應(yīng)力作用時,往往在鋼筋與混凝土的接觸面、新舊混凝土的接觸界面、砂漿與粗骨料之間的界面上出現(xiàn)微裂縫,即界面過度區(qū)(ITZ)上發(fā)生損傷。通過監(jiān)測混凝土電阻率的變化可在一定程度上反映ITZ是否出現(xiàn)微裂縫,同時可以判斷混凝土的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)。因此,導(dǎo)電混凝土可作為反映建筑物應(yīng)力狀態(tài)的傳感器,實時監(jiān)測高層建筑、水利大壩、大跨度橋梁等重大工程的受荷情況。導(dǎo)電混凝土這種能感知結(jié)構(gòu)應(yīng)變及微觀損傷的性能可為結(jié)構(gòu)工程提供一種無損監(jiān)測的有效方法。

2.5 工業(yè)防靜電

對于化工廠而言,靜電會引起爆炸,引發(fā)火災(zāi)。在石油化工行業(yè),貯油罐會因油與油或油與貯油罐之間的摩擦而產(chǎn)生靜電引起火災(zāi)。因此,消除靜電對工業(yè)安全尤為重要。結(jié)構(gòu)接地是眾多的工業(yè)防靜電的常用方法:將需要防止靜電的地面或結(jié)構(gòu)利用導(dǎo)電材料制作而成。目前,常用的導(dǎo)電性地面采用成本較高的導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電合成樹脂等制成,雖然它們防靜電的效果不錯,但經(jīng)濟效益較低。而采用導(dǎo)電混凝土澆筑地面,只要適當(dāng)控制導(dǎo)電混凝土中導(dǎo)電材料的含量或體積率,同樣也可以達到很好的工廠防靜電效果。

3 結(jié) 語

無機導(dǎo)電混凝土不僅具有一定的荷載承受能力,而且具備導(dǎo)電和導(dǎo)熱的功能,是一種功能型復(fù)合水泥基材料。在水泥基導(dǎo)電混凝土研究中,由于金屬纖維的鈍化作用,研究更傾向于使用石墨導(dǎo)電材料,其穩(wěn)定的導(dǎo)電性已經(jīng)獲得認可。導(dǎo)電混凝土具有材料來源廣泛、制備簡單、經(jīng)濟等特性,使其已經(jīng)廣泛用作電熱土木工程材料、制作電熱元件、用于接地工程、混凝土結(jié)構(gòu)無損監(jiān)測和工業(yè)防靜電中。