导电砂浆电阻率稳定性的实验研究

车蜀涛 ，方仁玉 ，但建明 ，谭伟 ，齐誉 ，洪成林 ，李洪玲

（1伊犁青松南岗建材有限责任公司，伊犁835100；2石河子大学化学化工学院/新疆兵团化工绿色过程重点实验室/省部共建国家重点实验室培育基地，石河子832003）

导电混凝土是在常规混凝土中掺入适量的导电组分，提高其导电性能，达到有效导电目标的一种新型功能混凝土材料[1]，在自动监测[2-3]、电工、电磁干扰屏蔽、防静电、电力设备接地工程[4-5]、电加热、钢筋阴极保护、建筑采暖、路面除冰融雪[6-8]等方面具有广泛的应用前景。目前，导电混凝土的研究重点主要集中在材料组成与导电性能的关系、导电机理、电性能的影响因素、工程应用等方面[9]。影响导电性能的因素较多，包括导电材料的种类、掺量、形状、长径比、混凝土的组成、水化时间及水灰比等材料组成方面的内在因素[10-11]。除内部因素影响导电混凝土的导电性能外[12-13]，外部导电条件等因素对混凝土导电性能的影响也很显著。目前，对外部因素的影响研究较少，特别是对需要长时间服役的导电混凝土，如智能导电混凝土，除冰、取暖用的电热导电混凝土等，要求其导电性能在一定范围内保持稳定性，这是发挥其功能的基本要求。

为此，本文以导电砂浆为实验对象，研究导电砂浆在组成确定的情况下，研究外部使用环境如温度、湿度、导电时间、导电功率等因素对导电砂浆电阻率稳定的影响规律，以期为导电混凝土的工程应用提供理论依据与指导。

1 实验材料与方法

1.1 原材料及用量

42.5级普通硅酸盐水泥；普通河砂，粒径<2.36 mm；普通自来水；羧甲基纤维素钠（CMC）为分散剂，磷酸三丁酯为消泡剂；5 mm长 PAN基短切碳纤维，经浓硝酸浸泡 2 h，水反复冲洗，110℃烘干备用。分析纯MgCl2·6H2O用作导电电解质；焦炭末，为炼焦企业提供，粉磨为粒径小于1 mm的实验用品，用作导电炭材料；碳纤维布，剪成3×5 cm规格，用作导电电极。

1.2 试件制备与养护

根据前期实验结果，导电砂浆的组成为灰砂比1∶3，水灰比0.5，导电组分的掺量相对于水泥质量分别为碳纤维0.5%、焦炭末14.0%、氯化镁3.0%，羧甲基纤维素钠0.3%和磷酸三丁酯 0.02。在盛有热水的塑料烧杯中加入氯化镁，然后加入羧甲基纤维素钠和磷酸三丁酯，搅拌溶解均匀后再加入碳纤维，搅拌均匀后，倒入事先搅拌均匀的水泥、砂、焦炭末的混合体系中，在行星式水泥胶砂搅拌机中拌合5 min，成型于4 cm×4 cm×16 cm的标准水泥胶砂三联模中，同时在每一试件两端距末端1 cm左右处插入3 cm×5 cm碳纤维布电极。或者成型为其他尺寸的砂浆块。在恒温恒湿养护箱中养护24 h后拆模，测试其1 d龄期的电阻率。继续养护至一定龄期后，在各种通电条件下测试其电阻率。

1.3 试块电阻率的测试

本实验利用GM-700交流变压电源提供不同的电压，用ASAP 2020C电压表和JEOL电流表采用伏安法分别测量不同导电情况下两电极间的电压和电流[14]，则电极间的体积电阻 R=U/I，电阻率为ρ=，其中ρ为导电砂浆的电阻率，单位为Ω·cm；S为试验试块横截面积，单位为cm2；L为两电极间的长度，单位为cm。

2 结果与讨论

2.1 导电温度对电阻率的影响

导电砂浆养护到28 d后，在不同导电环境温度下测试砂浆的电阻率。其中：0℃的电阻率是将导电砂浆放在冰箱中恒温12 h后的测试结果，20℃的电阻率为室温时的测试结果，30℃及以上电阻率测试是在相应温度下的烘箱中保证80%以上湿度时恒温12 h后再测试该温度下的电阻率得到。导电砂浆电阻率随导电温度的变化结果如图1所示。

图1 导电温度对砂浆电阻率的影响Fig.1 Effect of temperature on electrical resistivity of the composite conductive mortar

从图1可以看出：砂浆电阻率随导电温度的增加平稳上升，0-100℃范围内，电阻率约升高了10%左右。当导电温度为20℃，砂浆电阻率为87 Ω·cm，随着温度的升高，试件的电阻率逐渐上升，当导电温度上升到50℃时，电阻率上升到89Ω·cm，上升了约2.3%；80℃时，电阻率上升到91Ω·cm，上升了约4.5%；在实际应用中，砂浆的导电温度一般不会超过50℃就可以满足除冰、取暖的要求了；100℃时，电阻率上升到94Ω·cm，与20℃相比，上升了约8.0%。在该导电组分掺量情况下，砂浆电阻率小于100Ω·cm，可以满足电热转换对电阻率的要求，且电阻率在常温下基本保持稳定。

导电混凝土的导电机理分为离子导电和隧道效应产生的电子导电。在该导电组分的组成中，分别加入具有离子导电功能的电解质MgCl2和电子导电功能的焦炭末和碳纤维。随温度的上升，MgCl2电解质的导电能力提高，加上砂浆中水泥水化而存在于孔隙溶液中 K+、Na+、Cl-、SO42-等离子的导电功能受温度升高而增强[15]，使砂浆的电阻率下降。焦炭末和碳纤维的电阻率随温度升高而升高。

二者综合的结果，砂浆的电阻率随温度的上升而缓慢提高。这对保持砂浆在导电温度范围内电阻率的稳定有利。

2.2 相对湿度对电阻率稳定性的影响

将导电砂浆养护28 d后放入25℃下不同相对湿度的养护箱中，恒温恒湿平衡12 h以上，取出后快速测试导电砂浆的电阻率，结果如图2所示。

图2 相对湿度对电阻率的影响Fig.2 Effect of relative humidity on electrical resistivity of the composite conductive mortar

由图2可以看出：导电砂浆的电阻率随导电环境相对湿度升高而下降。20%相对湿度与100%相对湿度的电阻率相比，电阻率降低了约50%；在40%相对湿度前电阻率下降较快，40%后下降的幅度变缓；80%湿度以后，电阻率基本不变化。

自然状态下，砂浆相对湿度一般都可保持在40%以上。其电阻率处于较低的水平。一般来说，干燥的混凝土是良好的绝缘体，增加砂浆湿度有利于提高砂浆中导电离子的量，这些溶解离子可以充当导电组分，并通过毛细管互相连接从而提高导电能力；另外，砂浆的相对湿度提高，也为导电碳纤维的导电提供了桥梁作用，增强了隧道效应，有利于碳纤维的导电，从而降低砂浆电阻率。

2.3 导电功率对电阻率稳定性的影响

导电砂浆养护到28 d后，放入25℃、80%湿度的养护箱中恒温恒湿下平衡12 h以上，取出后在不同的导电功率下快速测试砂浆的电阻率，结果如图3所示。

图3 导电功率对电阻率的影响Fig.3 Effect of electric power on electrical resistivity of the composite conductive mortar

由图3可以看出：导电砂浆的电阻率随导电功率的升高而升高；功率越高，电阻率越大。相对于0.25 kW/m2的功率，3.0 kW/m2功率的电阻率升高了31.6%，表明导电功率对电阻率的影响较大。但在功率高于0.5 kW/m2后，电阻率升高的幅度降低。实际工程应用中的功率一般不会高于0.5 kW/m2，此时电阻率不高于100Ω·cm。

另外，对砂浆在不同导电功率下进行导电24 h后，在室内常温养护24 h后，再次快速测试其在室温下的电阻率，以表征导电砂浆不同导电功率下电阻率的变化情况，以及砂浆导电功能的恢复性，其结果如图4所示。

由图4可知：

（1）不同导电功率下通电养护后再次导电，电阻率会随前期导电功率升高而增大，但是上升幅度有限。比较0.25 kW/m2功率和3.0 kW/m2功率通电养护后的电阻率，升高了0.7%，变化幅度很低。电阻率的升高可能是大功率导电导致碳纤维的极化而影响电阻率有关。也可能是大功率较长时间通电对砂浆结构有部分影响有关。

（2）当到导电功率下降后，导电砂浆电阻率也随功率降低而快速下降，说明砂浆导电性能具有一定可逆性，可以保障砂浆电阻率的基本稳定。

图4 导电功率对再养护后砂浆电阻率的影响Fig.4 Effect of electric power on electrical resistivity of the recurring composite conductive mortar

2.4 长时间通电对电阻率稳定性的影响

按照一定比例将复合导电物质与砂浆混合、成型为300 mm×300 mm×3 mm，以碳纤维布作为电极，在刚成型时嵌入砂浆内部，养护28 d，放入25℃、80%湿度的养护箱中恒温恒湿下平衡12 h以上，取出后在0℃的环境下，保持砂浆表面温度不超过40℃的情况下，功率基本保持在0.25 kW/m2左右，10 d前每天 12：00测试电阻率，10 d后每10 d测试一次电阻率，结果如图5所示。

由图5可以看出：

（1）电阻率随通电时间的延长而增加，但是增加的幅度很小，以第1 d与180 d的电阻率相比，180 d不间断连续通电后其电阻率上升了约5.9%。

（2）通电时间越长，电阻率增加的幅度降低，16 d后电阻率基本稳定。实际使用过程中，一般导电砂浆是间歇式工作的，连续通电时间不会超过180 d。经过养护后，部分导电功能会恢复，结合图4中的结论，推测导电砂浆在使用过程中电阻率还是相对稳定的。

图5 0.25 kW/m2功率下导电时间对电阻率稳定性的影响Fig.5 Effect of conduct electricity time on electrical resistivity of the composite conductive mortar at 0.25 kW/m2

保持砂浆表面温度不超过50℃的情况下，保持砂浆导电功率为3 kW/m2左右连续通电不间断，每天12：00统计电阻率，测试导电砂浆在大功率长时间通电情况下的电阻率稳定性，结果如图6所示。

图6 3 kW/m2功率下导电时间对电阻率稳定性的影响Fig.6 Effect of conduct electricity time on electrical resistivity of the composite conductive mortar at 3.0 kW/m2

由图6可以看出：

（1）较大尺寸的导电砂浆在3 kW/m2连续通电不间断情况下，在通电3-4天后，电阻率基本保持在134Ω·cm左右，表明该组分的导电砂浆在较大尺寸、大功率长时间通电情况下，电阻率基本保持稳定。

（2）与图5相比较可知，3 kW/m2连续通电的电阻率高于同时间段0.25 kW/m2通电的电阻率，这与图3中得到的结论一致。

3 结论

（1）具有复合导电相的导电砂浆，其电阻率随温度的升高而增大，但升高幅度较低，常温下导电可基本保持导电砂浆电阻率的稳定性。

（2）导电砂浆的电阻率随导电环境相对湿度升高而减小，在40%相对湿度后减小的幅度降低。

（3）导电砂浆的电阻率随导电功率的升高而升高，在功率高于0.5 kW/m2后升高的幅度降低，功率低于0.5 kW/m2时电阻率不高于100Ω·cm。

（4）较大尺寸的导电砂浆在0.25 kW/m2和3 kW/m2连续通电不间断情况下，电阻率基本保持稳定。表明该组成的导电砂浆在需要长时间电热转换的场合具有潜在的应用前景。

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