导电混凝土研究

彭景元

（广州大学土木工程学院 广东广州 510006）

1 导电混凝土技术

1.1 导电混凝土定义

导电混凝土是由导电性材料部分或全部取代普通混凝土中的骨料，然后和胶凝材料、水、掺合料以一定的比例混合制作而得到的具有一定的导电性能和力学性能的特种混凝土。

根据胶凝材料不同可以将导电混凝土大体分为三种类型：无机类（由导电性无机材料作为主要材料制作而成的导电混凝土）、有机类（由有机导电材料制作的导电混凝土）和复合类（如新型导电性聚合类材料制作的导电混凝土）。

1.2 导电混凝土主要性能指标

导电混凝土的工程性能指标还包括抗压强度、导电性的好坏以及满足一些特殊性能要求的耐久性和热传导性等。导电性用电阻率来衡量，导电混凝土的电阻率视其用途而异，变化范围一般为10-3～102Ω·m。混凝土强度影响因素很多，跟普通混凝土相比较，导电相材料本身的机械强度、粒度、形状、级配和含量对混凝土的强度有较深的影响，尤其是碳质导电相材料，由于其自身的强度性能较差，它在混凝土中所占的体积百分率对导电混凝土的强度起决定性作用。对使用环境有特殊要求时，还需要考虑混凝土的干缩性和导热性等指标。

2 不同导电混凝土制作手法

导电混凝土可根据其导电相材料不同进行划分种类，导电相材料一般有如下几类：碳纤维、石墨、钢纤维等。通常情况下，碳质导电相材料会对混凝土的强度有较大的影响。制造过程只需要浇筑和成模设备即可，且其用法和常规混凝土基本类似。

2.1 石墨导电混凝土

石墨具有良好的导电性，与一般金属粉末相比，具有稳定的化学性质，且具有较好的耐酸碱、抗氧化性能。但是，掺量足够大时才能在混凝土内部形成相互连通的导电网络，而且石墨导电混凝土需水量也较大，直接导致了混凝土强度的下降。因此，石墨导电混凝土适合应用在对混凝土强度要求不太高的地方，如建筑物的非承重部位。考虑到石墨导电混凝土强度低的弊端，可以采用湿法高压挤压成型制作工艺，使得石墨导电混凝土既能具有良好的导电性，又能较好地提高其力学强度。但该方法在制作上需要能提供较大压力的机械。

周浩、陈隆道等人[1]的研究发现，石墨含量会明显地影响导电混凝土的电阻率，当石墨含量低于一定值时，电阻率会以较快速度下降。吴少鹏等人[2]用渗流模型来模拟研究石墨导电沥青混凝土的导电效应，当石墨含量达到渗流阈值后，电阻率会以指数的形式下降，导电混凝土以及导电高分子复合材料都会存在一定的电导渗流现象。

2.2 碳纤维导电混凝土

碳纤维综合具有碳和纤维的多种优良特性。碳纤维导电混凝土具有广泛的应用领域，可以充分利用其导电、发热性能将其应用在多种工程环境中。碳纤维混凝土有着比石墨混凝土更为出色的导电性能，是由于碳纤维密集地分布在混凝土中，更容易在混凝土中形成导电网络，从而提高其导电能力。唐祖全等人[3]研究发现，水泥浆中加入碳纤维后，渗流阈值会保持在0.85%附近。当混凝土中含有较多的碳纤维时，混凝土会由于不均匀搅拌而出现纤维结团现象，同时在搅拌时不可避免地会引入大量气泡，从而增加了混凝土的气孔率，降低混凝土的平整性以及力学强度。因此，制作中通常需要加入一定量的分散剂（如甲基纤维素和消泡剂）。制作时应先用分散剂将碳纤维在水中充分分散，再和水泥、砂石一同进行搅拌。在碳纤维混凝土中加入适量的硅灰能够部分降低混凝土的电阻率，同时可在一定程度上提高碳纤维的分散性。

在选用较粗的骨料配制用于发热的导电混凝土时，不宜掺入太多的石子。侯作富等人[4]通过实验研究发现，当水泥、砂、石子掺量为1：1：2时，碳纤维导电混凝土的综合性能最佳。

2.3 钢纤维导电混凝土

钢纤维最大的特点就是具有较高的抗拉强度，同时又能够有较好的导电性能。所以，钢纤维常常作为制作导电混凝土的导电相材料。有学者通过研究发现，混凝土中钢纤维的电阻率会随着时间的推移明显增大，原因是混凝土呈碱性，金属在其中会锈蚀形成膜，从而加大其电阻率。

魏小胜等人[5]在试验中采用长度25～45mm、直径0.5～0.8mm的钢纤维配制导电混凝土来进行试验，实验结果表明，在钢纤维体积分数达到0.5%之前，钢纤维导电混凝土的电阻率会随着含量的增加而明显下降。所以，导电混凝土不宜单独采用钢纤维或是金属粉末作为导电介质。

3 导电混凝土的发展展望

目前，在世界范围内，用工业盐融雪化冰还是最为主要和普遍的除雪方法。但这种方法局限性太多。①施撒工业盐需要工人无论在多么极端的天气下去人工撒盐融化冰雪；②工业盐对路面以及其他的混凝土都会有一定伤害，并且可能对环境造成一定的影响。利用导电混凝土的电热效应，道路和建筑上的积雪和冰会自动融化，人们生产生活将不会受到冰冻天气的影响。所以导电混凝土的研究发展会对人们的生产生活具有十分重要的意义。并且，随着经济的发展以及材料科学的发展，导电混凝土一定会像普通混凝土那样变得便宜，一定会在今后的工程中得到广泛的应用。

[1]周浩，陈隆道.导电混凝土及其应用[J].混凝土与水泥制品，1992（04）：12～13.

[2]吴少鹏，磨炼同，水中和，等.导电沥青混凝土的制备研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2002（05）：567～570.

[3]唐祖全，李卓球，钱觉时.碳纤维导电混凝土在路面除冰雪中的应用研究[J].建筑材料学报，2004（02）：215～220.

[4]侯作富，李卓球，唐祖全.融雪化冰用碳纤维混凝土的导电性能研究[J].武汉理工大学学报，2002（08）：32～34.

[5]魏小胜，肖莲珍，李宗津，等.钢纤维水泥基材料的导电机理和水化特性[J].混凝土，2006（04）：11～13.