浅谈导电混凝土的应用价值*

张智雅，姜志炜，李麟杰，晏凤元，张业茂

（南京工程学院建筑工程学院 江苏 南京 211167）

0 引言

目前，我国北方的采暖方式主要是暖气片供暖，南方则是空调取暖。但是两种取暖方式都有很大弊端，比如：浪费煤炭资源、电能资源，甚至还会带来诸多环境问题。导电混凝土在通电情况下，其中的导电介质会产生电热效应，促进其温度升高，以达到建筑取暖的效果，并且节能环保。同时现阶段导电混凝土被应用到机场飞行区道面等重要路面的融冰化雪上。飞机场易受到天气的影响，雨雪天气就很有可能造成航班的延误，并且影响飞机的安全着陆。机场常用的除冰化雪方法有机械除雪法和化学融雪法。机械除雪法存在处理不彻底、对地面要求高、投入人力资源多、经济效益差等问题。化学融雪法又会腐蚀地面、污染水和土壤，造成环境污染。导电混凝土在机场跑道等混凝土路面融冰化雪中的应用，既能够提高效率又能够减少环境污染。因此利用导电混凝土优良的导电性和电热转化能力，研究改善导电混凝土性能，可以推动建筑取暖和机场飞行区道路面的融冰化雪方面的研究发展，进一步推动了土木工程行业的发展。

1 导电混凝土

2.1 主要导电掺料

导电混凝土需要在普通混凝土基体中掺入石墨、钢纤维、碳纤维、钢渣、炭黑等具有良好导电性能的材料。

2.2 各种导电混凝土总体要求

（1） 强度目标：C20；

（2） 电阻率大约在10～10000Ω.CM，即可用于建筑房屋采暖.；

（3）保证电阻的稳定性，需要导电材料的掺量达到其渗流阈值。

2.3 导电混凝土种类

2.3.1 单掺石墨导电混凝土

石墨是同时具备优秀导热性能以及导电性能的导电材料，且化学性能稳定，因此在很多制品中被用作导电材料[1]。

根据其本身良好的导电性质，李仁福等[2]人的研究表明石墨导电混凝土应用于建筑采暖具有一定的可行性。但是石墨掺量是其限制因素，只有掺量达到一定数量时混凝土才具备良好的导电性，因此其力学性能被大大地降低，且石墨同时存在需水量很大的问题，这也导致了石墨导电混凝土力学性能下降，从而使得混凝土力学性能达不到要求。并且石墨混凝土电阻率随龄期变化稳定性较差。

2.3.2 单掺碳纤维导电混凝土

我国在单掺碳纤维导电混凝土领域取得了较大的进展，如杨元霞等[3]人的研究揭示了碳纤维长度越长，掺量越大其导电网络越容易形成，为融雪化冰应用打下了坚实基础。又因为碳纤维导电混凝土电阻随温度变化很小且发热采暖时功率稳定，经唐组全等人实验证实了碳纤维导电混凝土能够融雪化冰。适当添加碳纤维，不仅使混凝土的导电性能提高，而且抗折性能也优于普通混凝土。因此，碳纤维混凝土具有良好的工程应用前景。

2.3.3 单掺炭黑导电混凝土

虽然相比单掺石墨导电混凝土，单掺碳纤维混凝土与单掺炭黑混凝土都较为稳定，但是在价格上单掺碳纤维导电混凝土相比炭黑导电混凝土则处于劣势，其价格远高于炭黑导电混凝土。炭黑价格低且广泛，故炭黑导电混凝土有广阔的前景。吴献等通过研究发现，当炭黑掺量较高时，导电混凝土电阻率低，导电性能越好。同时导电炭黑导电混凝土随着养护龄期的增加，稳定性越好。2.3.4单掺钢纤维导电混凝土

钢纤维本身有极好的导电性，且掺入混凝土中可以提高混凝土的力学强度。但是单掺钢纤维导电混凝土长期电阻起伏大。当掺量大时才可导电，但因掺量大容易结团，当掺量小时无法形成导电网络，这样其电热性能便不显著。

2.3.5 复掺钢渣、钢纤维导电混凝土

由于单掺钢纤维导电混凝土无法达到融雪化冰的要求，美国Sherif Yehia等[4]人在普通混凝土中复掺了钢渣、钢纤维，研究发现将这种混凝土通电用于融雪化冰时，交流电发热较均匀且力学性能极其优越。但是随着时间变长电阻也逐渐增大（增幅很大），增大后的混凝土其路面除冰融雪受到了极大影响。

3 建筑采暖应用

3.1 现阶段传统供暖方式中出现的问题

目前，常用的地板辐射采暖材料有：电缆、电热膜和低温热水管。其中，低温热水管材料存在热量损失严重、占用空间大等缺点；电缆、电热膜材料都是铺设在装饰层的下面，当发生故障维修时需要破坏全部装饰层，造成资源大量浪费[5]。此外，地暖费用高、消耗大、污染重。北方冬天供暖主要方式为暖气供暖，其中暖气片在取暖过程中周围区域的温度较高，造成局部空间温度过高，特别是靠近暖气的地方并不舒适，有时高温还会把墙面熏黑；并且暖气也存在许多问题，北方的暖气热投资费高，耗费大量煤炭资源，对环境造成很大的污染。南方同样存在诸多问题，我国南方地区冬天供暖方式主要是空调制热供暖，在制热时热气放出的热量与室内冷空气进行强制对流，促使室内温度逐渐升高，由于热空气密度小和空调的放置位置，热空气基本上飘浮或慢慢上浮在室内的上半部分，房间下半部分温度不热；且强制对流会造成室内空气质量浑浊，使人感觉很闷，对身体造成伤害；同时耗电严重，维护成本较高。

3.2 导电混凝土的优势

在普通混凝土中加入特定导电组分材料形成的导电混凝土具有多种优良性质。由于导电介质电阻率稳定，通电后导电混凝土可以产生电热效应，将电能转化为热能，促进其温度升高。该过程节能环保，减少了煤炭、电等高耗能资源的投入，还对人体健康无害。

4 路面除冰融雪应用

4.1 现阶段传统除冰方法及劣势

路面除冰方式主要有化学除冰和机械除冰两种。化学除冰法是在路面撒工业用盐，该种方法通过盐能使得冰的熔点升高，有效除雪。虽然该种方法具有成本低的优势，但长期使用这种方法会造成极大的破坏，例如破坏植被、危害地下水、腐蚀建筑物、危害沥青道路路面等。除冰盐含有的化学物质具有腐蚀性，钠离子、氯离子破坏了植被的渗透压；地下水中的二氧化氮离子超标，饮用过多会造成人中毒；建筑物中氯离子会和金属发生化学反应，造成金属破坏；除此之外，除冰盐导致表面沥青脱落，大大降低了路面耐久性，缩短了公路的龄期。机械除冰方式有很多缺点，该方法耗费大量人力、物力、财力资源。在机械除冰的操作过程中，工作路面要求被封锁会影响人们正常的交通出行。机械除冰还存在应用局限，路面坡度、雪层厚度及室外的气温状况都会影响除冰设备的正常运行。此外，机械除冰后机械设备多方面性能都容易下降，需要进一步维修和保养。因此，机械除冰是一种不理想的除冰方式，在路面除冰过程中应尽量避免使用该方法。

4.2 导电混凝土的优势及工作机理

导电混凝土既具有普通混凝土的力学性能，又具有良好的导电性能，且导电混凝土相比普通混凝土成本相对不高。工作时只要对导电混凝土通电，利用导电混凝土的导电性和电流的发热效应，使得混凝土加热，以此除冰融雪。与外部电源连通后，导电混凝土利用自身优良的导电性迅速将电能转化为热能，产生的热量使路面温度升高。同时在冰全部融化成水的冰融过程中，温度一直保持不变。

4.3 电热层的设置方法

导电混凝土电热层的设置不同，会对混凝土路面除冰融雪效产生不同的效果。当把整个混凝土路面板都制作成导电混凝土，不仅会浪费建筑材料还会让装置消耗大量热量，从而降低了融雪效果。当导电混凝土设置在板中央时，上下设置普通混凝土层，上层普通混凝土接收的热量可以用来除雪融冰，但是下层的热量传入地基，相当于热损失。唐祖全等[6]设置电热层采用导电混凝土覆层的形式，即在路面的表层设置导电混凝土层，其下为绝热层，再下面设置普通混凝土结构层。在导电混凝土与普通混凝土之间设置绝热层，从而能够阻止热量向下传导[7]。导电混凝土层的厚度是重要的考虑因素，需选择适中的厚度，高领等人指出导电混凝土层的厚度太厚会影响除冰融雪的效果，但是混凝土层太薄则不利于施工同时会降低道路的耐磨性能。根据试验结果，混凝土的层的最佳厚度为40～50mm。这时既可以节约资源又可以达到良好的除雪融冰效果。

导电混凝土通电后所产生的热量，绝大部分会被路面上的冰雪吸收，加快除冰融雪的速度、降低施工难度，同时提高了施工效率，降低了能耗。

5 现阶段研究现状

美国的Yehia S和Christopher Y Tuan对多种纤维混凝土进行研究，发现钢纤维钢屑混凝土导电性优良[8]，并且将其充分地应用到桥梁路面的融冰试验中。

针对如何在很低的电压情况下将导电混凝土快速变热这一问题，英国费莱尔集团提出了研究方案。

李卓球等人通过对多种混凝土进行研究,发现碳纤维的发热原理最佳，并且指出掺入适宜含量的碳纤维混凝土可以促进地面的融雪化冰。

通过对碳纤维混凝土的性能进行研究，DD.LChung教授发现纤维混凝土除了具备优良的电热性能还具备热储存性能，这一发现让碳纤维混凝土在热工程应用中有了进一步发展。

陈洋臣指出突破电压和混凝土温度相关，通过多组实验探求到钢纤维混凝土的突破电压为25V～30V。

高中民[9]指出导电混凝土是一种新型的“智能”型材料，凭借其优良特性今后在结构工程、电工工程以及家庭取暖等领域脱颖而出。

刘数华[10]指出导电混凝土制备与应用的关键是在力学性能、导电性能及经济性之间找到平衡点。

6 结语

导电混凝土是一种具备良好的热和电的感知和转换能力新型的混凝土，具有高效率、低污染等优点 [11]。应用于室内采暖时，导电混凝土的力学性能、导电性能良好同时造价低、施工简单、保温效果良好且环保。应用于道路融雪化冰时导电混凝土制备及使用方法容易，可控制性强，对环境的破坏小，有利于可持续发展。因此加快对导电混凝土的研究，可大大推动建筑采暖和道路除冰融雪的进程，推动建筑行业的发展。