新型环保导电混凝土的研制及接地试验研究

胡 琥，田昕，韩利红，陈 彬，李显秋，刘艳慧，李 靖

(1．云南农业大学 建筑工程学院，云南 昆明 650201;

2．云南农业大学 节能减排检测与研究工程中心，云南 昆明 650201)

在电力系统(如变电站、风电场等)和特殊建筑物(如加油站等)接地施工过程中，由于对接地电阻要求高，为降低接地电阻各项工程中均大量采用降阻剂。无论是传统的化学降阻剂和目前广泛使用的物理降阻剂都存在自身无法凝固而流失的缺点，由此造成的环境危害巨大。在绿色和环保呼声越来越高的今天，必须考虑接地工程对环境造成的污染，否则再高的性能也会被一票否决［1-2］。因此，研究开发性能可靠、绿色环保的接地工程技术和材料就显得尤为重要和急迫。本文，通过对复合材料导电混凝土的研究，开发出一种价格低廉、配制简单、绿色环保的导电混凝土材料，并通过接地工程对比性试验，性能优越。

1 环保导电混凝土研制

导电性能的优劣是导电混凝土的第一要素，反映混凝土导电性能的指标就是材料的电阻率。为获得尽可能低的电阻率本文先后尝试使用了多种不同种类和规格的导电材料、不同的配制比例、不同的制造工艺，最终在平衡制造成本及配置工艺等各方面因素后找到了最优化方案，方案特点简介如下:

(1)定制了一种新型纳米技术碳纤维复合材料，这种材料本身较普通材料在抗粘结性方面有了很大的改善，而且又先将这种材料与超细鳞片石墨的物理混合，利用石墨的润滑性和扩散性将纤维之间的粘结性降到最低。

(2)使用了与硅灰相似的石粉材料又一次起到了分散纤维的作用，而且此材料较硅灰成本低廉且来源广泛。

(3)以物理分散方式取代了传统的化学分散方式，较好地解决了纤维结团不易分散均匀的问题，为在工程中方便应用奠定了良好的基础。

图1 是本文配制导电混凝土和普通石墨型导电混凝土电阻率的对比图。

图1 新型导电混凝土和普通石墨导电混凝土电阻率的对比图

图1 中对比用的是碳含量为95%的优质鳞片石墨，比例为15%;从材料和比例来看应属于很好的石墨型导电混凝土，但与采用复合材料的导电混凝土相比其导电性能明显不在同一个数量级。而且，随着养护时间的延长，石墨型的电阻率还在逐步升高，而复合材料型的却一直变化很小，导电性能非常稳定，这也是一大优势，即在混凝土初凝阶段就已具备良好和稳定的导电性能。在将导电混凝土作为降阻剂使用时，复合型导电混凝土在浇筑后很快就可进行效果测试，其值与混凝土凝固后的数值基本一致，大大提高了工作效率，缩短了工作周期，提高了经济效益［3-4］。

2 接地对比试验研究

为验证新型环保导电混凝土的工程实效，本文选取目前电力系统接地工程常用的几种降阻技术方案，在选定的试验区进行接地降阻工程对比性试验。

2．1 试验区设计

选择500 m2的空地进行试验。试验分为2 个试验区，每个试验区为225 m2(图2)。

试验区Ⅰ:225 m2(15 m ×15 m)，降阻剂、降阻水泥和环保导电混凝土试验区。

试验区Ⅱ:225 m2(15 m ×15 m)，接地模块和电解电极试验区。

图2 接地工程试验区图

2．2 试验设计

2．2．1 地网格点布局

在试验Ⅰ、Ⅱ区，每隔5 m 确定1 个网格点，每个试验区有16 个网格点，2 个试验区共有32 个网格点，如图3 所示。(以试验Ⅰ区为例，试验Ⅱ区按同样方法测定土壤电阻率。)

图3 试验Ⅰ区地网格点布局

2．2．2 测量方法

在建好的地网上，进行面积与降阻试验。用SGT50 接地电阻测试仪(武汉维尔科技)，测量不同的地网面积接地电阻(如图4、图5、图6 所示)。测量时将地网分为5 m×5 m 的若干个部分，测定单个部分和组合部分接地电阻，地网用50 mm×5 mm 扁钢连接，扁钢放置深度为0．8 m。

第一步:测量A 中A1 ～A4 各点的接地电阻。

图4 接地电阻测量第一步图示

第二步:先测量B 中B1 ～B2 点的接地电阻，然后将A、B 连接，测量A1 ～A4 和B1 ～B2 的接地电阻。

图5 接地电阻测量第二步图示

第三步:先测量C 中C1 ～C2 点的接地电阻，然后将A、B、C 连接，测量A1 ～A4、B1 ～B2、C1 ～C2的接地电阻。以此类推，测定所有部分和组合电阻率。

图6 接地电阻测量第三步图示

2．2．3 试验步骤

在试验Ⅰ区进行降阻剂、降阻水泥和新型环保导电混凝土3 种材料的试验，在试验Ⅱ区进行降阻接地模块、电解地极2 种材料的试验。

(1)Ⅰ区试验

(a)在试验Ⅰ区的16 个网格点上，埋入50 cm高的降阻水泥柱，深度为0．8 m，测量接地电阻。

(b)在试验Ⅰ区，将降阻水泥柱取出，灌入新型环保导电混凝土浆，深度为0．8 m，测量接地电阻。

(c)在试验Ⅰ区，完全清理新型环保导电混凝土，灌入降阻剂，深度为0．8 m，测量接地电阻。

(2)Ⅱ区试验

(a)在试验Ⅱ区的16 个网格接点下，埋入降阻模块，深度为0．8 m，测量接地电阻。

(b)将接地模块取出，16 个网格接点下，埋入16 套电解地极，深度为0．8 m，测量接地电阻。

(3)测量方位试验

在试验Ⅰ区和试验Ⅱ区的每组试验中，当每组试验的16 个网格全部连接后，用四极测量方法，测定4 个方向的接地电阻，每组试验在每个方向3 次重复。

2．3 试验结果分析

2．3．1 土壤初始电阻率试验

在试验Ⅰ区和试验Ⅱ区，采用四级法，测量土壤初始电阻率。在测量中，用长为1．2 m 角钢，打入地下1．0 m，测量土壤初始电阻率，每组测点重复3 次。

测量结果表明，试验Ⅰ区土壤初始电阻率在53．30 ～56．95 Ω·m，平均为54．75 Ω·m;试验Ⅱ区土壤电阻率在43．19 ～70．86 Ω·m，平均为57．00 Ω·m，如表1、表2 所示。

表1 试验Ⅰ区土壤初始电阻率(Ω·m)

表2 试验Ⅱ区土壤初始电阻率(Ω·m)

2．3．2 降阻材料对比试验结果

选择长效物理防腐降阻剂、MEM 离子电解地极、MEM 离子换土料、HWG -M -1 接地模块、降阻水泥、新型环保导电混凝土进行的对比试验结果如表3 所示。

表3 试验降阻材料参数

表4 为几种降阻材料的对比试验。表中的结果表明，降阻剂和新型环保导电混凝土的作用效果较好，与水平地网初始接地电阻值相比，增加降阻剂和新型环保导电混凝土后，接地电阻分别降低了29．5%和21．1%;降阻水泥柱的接地电阻降低了16．7%。接地模块和电解地极的降阻效果一般，这是由于接地模块和电解地极实质上是起到垂直接地的作用，而垂直接地的效果分析表明，增加垂直接地体，对降低地网的接地电阻作用较小。因此，电解地极要与其他降阻材料组合使用，才能提高降阻的效果。

表4 降阻材料效果对比试验结果

本文所研制的复合材料导电混凝土不仅在导电性上完全达到甚至超过很多降阻剂材料(降阻剂国家标准为电阻率小于5 Ω·m，本文研制的复合材料导电混凝土电阻率小于0．5 Ω·m。同时，最大的优势在于绿色环保，其中的所有材料均不含有对环境有害的物质。在国家大力推广绿色环保政策的今天，这尤为难能可贵。由于混凝土自身的凝固特点，在土壤中不会随时间而流失，对接地体不仅没有腐蚀作用而且还有保护作用，能长时间稳定的起到降阻作用，也降低了后期使用和维护的成本，是一种非常理想的绿色环保型的降阻材料［5］。

3 结论

在对新型环保导电混凝土的研制和探索过程中，通过不断调整材料、配比、改进工艺获取了丰富的数据，通过工程试验研究获得了满意的结果。

(1)含碳量高且细度高的鳞片石墨有利于提高导电混凝土的导电性能。

(2)以新型碳纤维导电材料为主，辅以其它材料的复合型导电混凝土其导电性能要远高于石墨型导电混凝土而且性能更稳定。

(3)根据对比试验的结果，无论导电性能和环保性能，新型导电混凝土都是非常理想的降阻剂材料，可完全取代传统降阻剂用于接地系统中。

(4)复合材料导电混凝土的所有材料均不含有对环境有害的物质，绿色环保。

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