导电沥青混凝土电极材料与布设形式研究综述

杨文平，王云鹏，边雪伟，杨明珠 （华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州 450045）

1 引言

在寒冷季节，特别是北方道面积雪结冰现象严重地区，使得行车安全和人民生命财产受到威胁，路面积雪结冰还可能迫使交通中断，给人们的出行带来不便。导电混凝土是一种新型材料，属于高度绝缘体，要使其导电就必须添加导电相材料，并在外部电流的作用下，由焦耳定律可使导电混凝土生热。20世纪30-40年代，人们开始研制导电混凝土。20世纪50年代末，前苏联将炭黑掺入到钠质水玻璃混凝土中，得到电阻率为10-3Ω·m ～10-2Ω·m 的导电混凝土。20世纪70年代，美国、加拿大及北欧等国家为解决融冰氯盐对混凝土的腐蚀性，进行对导电混凝土研究。我国在20世纪80年代对导电混凝土开始进行研究。Minsk[1]在1968年首次发表了导电沥青混凝土的研究，他用的导电相材料是石墨。研究表明，电极的材料与布设形式会对导电混凝土的各项性能都会产生影响。针对电极材料与布设对导电混凝土的影响，特做以下综述，为导电混凝土电极布设研究以及导电混凝土在道面除冰雪的运用奠定基础。

2 导电混凝土的概述

2.1 导电混凝土的定义

本身是高度绝缘混凝土要变成导体需要在混凝土中掺入导电材料，使得混凝土的电阻率达到导电生热的要求，同时与普通的混凝土相比各项性能没有损失或损失较小。水泥混凝土由于水水化后自身含有一定量的Ca2+、SO42-等离子成分，在潮湿的环境下本身具有一定的导电能力，而传统沥青混凝土的电阻率为106Ω·m～1012Ω·m，属于高度绝缘体[3]。美国的 sherif Yehia和Christopher Y.tuan[2]提出对于融雪化冰用导电沥青混凝土来说,其电阻率至少要在10Ω·m以下。可以说研究导电混凝土就是研究导电混凝土的电阻率。

2.2 导电混凝土的类型

根据导电材料的差异性可以把导电混凝土按材料名称命名和分类，导电相填料有碳纤维、石墨、石墨烯、钢渣、钢纤维、炭黑等。把参加碳纤维的导电混凝土叫做碳纤维导电混凝土、钢纤维的混凝土称为钢纤维导电混凝土等。还有在混凝土中掺加多种导电材料，如加入石墨和碳纤维的混凝土叫石墨碳纤维导电沥青混凝土，加入了两种或者多种导电材料的混凝土，统称为复合导电混凝土。由于沥青混凝土具有优越的路用性能，导电沥青混凝土更具有使用价值，其中比较新颖的是浇注式导电沥青混凝土，浇注式导电沥青混凝土就是在浇注式沥青混凝土中加入导电相填料，使得其具有浇注式沥青混凝土优良性能的同时也具导电性，从而达到融冰雪的效果，由于浇注式导电沥青混凝土油石比高，价格较昂贵，目前研究主要是用于桥面的铺装，但还没有实体工程。

3 研究导电混凝土的意义

我国受冰冻影响地区广泛，其中路面积雪结冰使得人们出行受阻。为了不影响人们的出行就需要除冰雪。除冰雪的方法有很多，其中人工除雪法除雪比较彻底，但效率低且影响交通。机器除雪法除雪速度快，除雪面积达，但价格昂贵，甚至要中断交通或者增加机械闲置费用。化学剂法中国内外常用的是撒布氯化物融雪剂，撒布融雪剂可以有效除去道面冰雪，提高路面安全系数，车辆附着系数恢复，保证了道路的畅通。然而撒布融雪剂使得氯离子下渗入到混凝土中使得钢筋纤维锈蚀、路面剥离破坏，还可能给道路沿线的土壤造成盐侵蚀。已有案例说明了融雪剂带来的负面影响。例如，1988年，由于使用氯盐融雪剂使得美国已经建成的60万座钢筋混凝土桥出现损害，需要投入2000亿美元修复,相比于建设费用，复修的费用是当初建桥费用的4倍[3]。因此很迫切的需要研发一种新型的道路融冰化雪方法来代替传统的方法。Yehia S和C.Y.Tuan等[4]在导电混凝土中通入48V的电压,输出功率为5l9W/m2就可以使得路面无积雪和结冰,经计算每场降雪的能量消耗约为$0.7/m2～$1.0/m2，从此可以发现导电混凝土的研究存在巨大的经济潜力。

4 导电混凝土电极材料与布设形式

导电混凝土要设置电极才能与外导电相连而导电，因此有必要研究导电混凝土中的电极。电极材料，电极电阻以及与测试试样之间的接触关系，都会影响导电沥青混凝土电阻测试结果。杨元霞，刘宝举[5]等在导电混凝土及机敏混凝土电阻测试研究中，以铜片和石墨布为原材料制备了电极进行研究，研究发现：使用石墨布（4cm×4cm）电极与外电线胶粘，并且在试件养护后表面涂导电胶，上压贴铜导线和石墨布后固化测得的电阻率最小为2.84kΩ·cm，变异系数为12。韩宝国，关新春，欧进萍[6,7]等采用铜网、钢网、钢片为电极材料，人为测试碳纤维导电混凝土的电阻率，对比了有埋入式和外贴式两种布设对电阻进行测试，研究发现，埋入式的网状电极测量较准确。唐祖全、钱觉时等[8]人研究发现：在导电混凝土中内埋不锈钢板电极升温速率最快且板中心温度最高。侯作富、李桌球等[9]通过试验研究发现上下式网状电极与混凝土接触比左右式不锈钢电极较紧密，升温速率高。王朝辉，韩晓霞[10]等全面研究了电极布设方式、碳纤维撒布量、导电相材料参变量对浇注式导电沥青混凝土传导热效果的影响，研究在考虑经济与施工难易程度的条件下选择铝电极，布设方式选择竖向并在电极和试样之间撒布碳纤维以减少接触电阻，碳纤维撒布量为170g/m2，电压输出方式为交流电，大小宜为54V。刘鹏[11]采用石墨烯作为导电沥青混凝土电极材料，采用仿真模拟结合室内升温实验的方法确定电极的布设方案。建立石墨烯电极导电沥青混凝土电热模型；进行了仿真模拟与室内试验验证，验证石墨烯电极方案具有较高的升温速率。并研究电极的工作性能的影响因素。但是目前所研究的导电沥青混凝土都是单层结构，还没有运用双层结构的研究。综上所述，电极材料可以选用铝片、不锈钢、铜片、铜网、石墨片、石墨烯等。考虑经济性等原因，推荐采用的电极材料为铜丝网。布设形式根据施工情况和电极的耐久性确定采用上下设置和侧面设置，鉴于上下埋设的电极电阻稳定性不足，随着时间的延长而变大，故此推荐选用侧面设置，侧面设置电极容易连接外部导线，并在布设侧面电极时在导电混凝土与电极之间撒布微量石墨。

5 结语及展望

在广义上研究导电混凝土就是研究导电材料和电极，目前导电沥青混凝土还在成长期，还没有用于道路实体工程，考虑到传导热效果和制作简便的原因，许多研究都只考虑单层导电沥青混凝土的电热性能研究，因此有必要广泛的研究导电沥青混凝土。从以上的分析可以发现导电混凝土中电极布设形式采用埋入式可获得较好的导电生热效果，融冰效率更高。导电混凝土的研究将会给路面融冰雪技术注入新鲜的血液，更加的节约经济成本，并成为一种无污染的融冰雪技术。