摘要：導電混凝土是一種特種混凝土,其基本原理是導電材料部分或全部取代混凝土中的普通骨料,它是具有符合規(guī)定的電性能和一定的力學性能的特種混凝土。導電混凝土具備熱和電的感知和轉換能力,這就使得它不僅能作為一種建筑承載材料使用,而且還將在電工、電子、電磁干擾屏蔽、防靜電、電加熱器、鋼筋陰極保護、建筑地面采暖、路面除冰融雪等方面發(fā)揮重要作用。因此關于導電混凝土的研究受到越來越廣泛的關注。

關鍵詞:導電混凝土電阻率石墨碳纖維混凝土鋼纖維混凝土導電介質導電性能

混凝土因其優(yōu)良的物理力學性能在土木工程領域得到了廣泛的應用，是目前用量最大的一種建筑材料。普通混凝土的電阻率高，電阻率一般在10⁶～10⁹Ωcm范圍內。屬電的不良導體。對于交流電來講，干燥的混凝土是良好的絕緣體，其電阻率約為10¹³Ωcm^[1]。但隨著混凝土中水分的增加，混凝土的電阻率降低。由于混凝土中水泥水化后有很多離子性的物質(電解質)溶解于水中，這些溶解鹽也可以充當電介質，并通過毛細管互相連接，因此混凝土隨著水分的增加，其導電性能也增加。當完全飽和時，混凝土的電阻率可降至10²～10³Ωcm^[2]。所以普通混凝土是一種介于絕緣體和導體之間的材料。

如果在普通混凝土中添加一定量的導電組分材料，可使其導電性能大大改善，從而形成具有較好導電性能的導電體。導電混凝土既有結構材料的特點，又具有導電性。這不僅使混凝土作為一種結構材料使用，以及在電工、電磁干擾屏蔽、工業(yè)防靜電、電力設備接地工程、電加熱器、鋼筋陰極保護、建筑地面采暖、路面除冰融雪等方面發(fā)揮重要作用。

１導電混凝土的導電機理

導電混凝土是指由膠凝材料、骨料、導電組分材料和水等按一定配合比組成的多復合材料，是在普通混凝土中摻入適量導電組分材料而形成的一種水泥基功能復合材料。其中導電組分作為分散相，導電性能好；混凝土或水泥作為基體相，導電性能差。導電混凝土的導電一個方面是由分散在基體中的導電組分材料形成網絡，并通過隧道效應連同網絡間的絕緣而傳導，另一方面是通過水泥石傳導。對于前者，如碳纖維、石墨粉及鋼纖維為電子導電，電流通過彼此搭接或接觸形成的導電網絡進行傳導。同時，導電顆粒或纖維分散在水泥集體中，受絕緣的水泥基體阻隔，形成壁壘。當間隔距離減小，使水泥基體形成的勢壘足夠小，或電子從外界或得充足的能量時，就會越過勢壘，從一個導電體越到另一個導電體，從而形成導電^[3]。對于后者，及水泥石的導電，whittington^[4]等人認為可分為兩部分:一部分是通過可自由蒸發(fā)的水離子進行導電。另一部分是通過膠凝、膠凝水以及未反應的水泥顆粒的電子導電，主要是鐵、鋁、鈣的化合物。

2 常用的導電組分材料

導電混凝土既可以作為結構混凝土使用，也可以和常規(guī)混凝土混合使用。導電混凝土比?；炷凛p，其質量是常規(guī)混凝土的70%，而且導電混凝土的熱穩(wěn)定性一點也不比常規(guī)混凝土遜色;導電混凝土的制造過程只需要傳統(tǒng)的混合和澆筑設備即可，且其用法和常規(guī)混凝土基本類似。

導電混凝土主要是依靠導電材料的相互接觸進行導電的。目前可以作為導電混凝土骨料的材料，主要是碳質材料。碳質材料的骨料主要有石墨骨料、炭黑、碳質輕骨料、碳纖維等。

2.1 石墨材料

石墨是一種可行的導電材料，也是應用最早的導電骨料，它具有強度不較高、導電性能比較好等特點。但是，石墨要制成一定粒度的骨料，在目前技術上有一定難度，配置的導電混凝土電阻不夠，再加上其價格較高，在應用上受到很大限制。

2.1 炭黑材料

炭黑是以含碳原料(主要為石油)經不完全燃燒而產生的微細粉末。外觀為純黑色的細?；蚍蹱钗?。顏色的深淺，粒子的細度，密度的大小，均隨所用原料和制造方法的不同而有差異。炭黑不溶于水、酸、堿;能在空氣中燃燒變成二氧化碳。炭黑的主要組成物是碳元素，還含有少量的氫、氧、硫、灰分、焦油和水分^[5]。

炭黑的種類和用途很多，用于導電混凝土的炭黑主要有導電炭黑、超導電炭黑等。炭黑雖然在價格上比石墨低廉，但在成粒上也有很大難度，存在著與水泥漿體粘結性差等缺點，也不利于在導電混凝土中應用。

2.3 碳質輕骨料

碳質輕骨料是英國Marconi通信系統(tǒng)公司研制成功的一種碳質骨料，也是一種導電性能較好的骨料，我國在此基礎上已有所改進。這種導電骨料具有電阻率小、質量輕、價格低、雜質少等優(yōu)點，其壓實堆積密度為960kg/m³，松散堆積密度為800kg/m³，其pH值一般為7.1左右^[6]。

這種骨料不僅克服了石墨材料嚴重不足，而且其價格較低。實驗證明，這種材料的吸水率雖然比較大，在飽和面干狀態(tài)(含水率0.2%)時的吸水率可達到15%，但是瞬時性的，且吸水膨脹性很小。在掌握這一特性后，有利于在設計配合比和施工工程中更容易控制水灰比。但是，與水泥漿體的粘結性較低，雖然不如普通砂石，但要比石墨和炭黑高。 

2.4 碳纖維材料

碳纖維是一種導電性材料，不僅可以代替普通混凝土中的細骨料，而且又可以作為一種增強材料。在混凝土中加入碳纖維后，不僅不會像其他碳質骨料一樣，對導電混凝土強度有不利的影響，反而還可以提高導電混凝土的強度，特別是對混凝土的抗彎強度提高更為顯著^[7]，更重要的是其體積電阻率隨著外界應力的改變而改變。因此，其混凝土結構直接可以作為一個良好的傳感器而被廣泛應用。

2.5 金屬材料

金屬的電阻率和各種電解質相比是極低的，如銅的電解率僅為1.7×10^-8Ωcm、鐵的電阻率為9.7×10^-8Ωcm等。由此看來，在水泥混凝土拌和物中摻入研磨、切削或刮下來的少量屑粉、球粉或粒狀金屬，比較適合配制成導電混凝土。

對于大多數的導電材料來說，一般不能直接用于制作導電混凝土，必須首先對這些材料進行必要的加工處理，制作成一定的粒度、形狀和級配，才能作為導電骨料用于混凝土。在導電混凝土中，除碳纖維導電混凝土外，其他碳質材料對混凝土強度均有不力影響。目前，大多數導電混凝土是用碳質輕骨料作粗骨料，用碳纖維作為細骨料，碳質輕骨料的最大粒徑不應大于20mm。

３導電混凝土的主要性能指標

(1)強度。

導電混凝土的力學性能通常以抗壓強度來表征。導電混凝土的抗壓強度仍按普通混凝土抗壓試驗方法測得。影響導電混凝土強度的因素很多，與普通混凝土不同的是，導電相材料本身的機械強度、粒度、形狀、級配和摻量對混凝土的強度影響較大。尤其是碳質導電相材料，由于其自身的強度性能較差，它在混凝土中所占的質量百分率對導電混凝土的強度起決定作用^[8]。

(2)導電性。

導電混凝土或是在電場下工作，或是作為輸導電流的導電材料,因此導電性是衡量導電混凝土性能的主要物理參數。它應具有給定的數值，并且在一定的時間、允許荷載和溫度范圍內保持其穩(wěn)定性。衡量導電性的指標一般為電阻率。導電混凝土的電阻率視其用途而異，一般可變化在10^-3～10²Ωm。

(3)電阻率的穩(wěn)定性。

電阻率的穩(wěn)定性是導電混凝土作為導電材料基本的要求。穩(wěn)定性的要求主要為:隨使用時間的延長、環(huán)境溫度和溫度的變化,導電混凝土的電阻率應保持相對穩(wěn)定；導電混凝土在通電過程中，通電時間、通電次數以及一定范圍內的電壓高低等對電阻應沒有明顯的影響。只有保持穩(wěn)定的電阻率，其導電過程才具有可控性。

４存在的問題

對顆粒狀、粉末狀的石墨粉、碳粉、焦炭及鋼屑等導電材料，由于其長徑比小，當摻量較小時，導電材料難以相互接觸，不能形成良好的導電網絡，顧其導電性能差;當摻量較大時，一反面由于炭黑、焦炭等本身強度較低，另一方面由于導電材料的吸水性，將加大混凝土拌和的需水量，是混凝土的強度大幅降低，難以滿足土木工程對力學性能的要求^[9]。對碳纖維，雖然摻量較低時可以形成導電網絡，但由于纖維搭接面較小，因此其導電性能較低。當摻量較大時，將使纖維在攪拌是結團成束，難以分散。在成型時易引入大量的氣泡，降低混凝土強度。而對于鋼纖維，其粒徑較粗，當纖維產量較低時，難以形成相互搭接的導電網絡，導電性能差。但纖維摻量過高時，混凝土工作性又差，采用常規(guī)施工較為困難。因此，目前研究的導電混凝土難以較好的兼顧導電性能和力學性能的要求。

５結語

導電混凝土是一種新型的特種功能混凝土,其電阻率取決于導電材料的種類、性能與摻量,具備熱和電的感知和轉換能力,是一種“智能”型材料。導電混凝土具有材料來源廣泛、制備簡單、經濟等特性。隨著科學技術的發(fā)展,今后在結構工程、電工工程以及家庭取暖等領域將會被廣泛應用。

參考文獻

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