水泥基导电混凝土研究现状及应用

夏艳晴,王 宁,张超明,阳黎,张雨晴

(1.嘉华特种水泥股份有限公司,乐山 614000;2.西南科技大学材料与化学学院,绵阳 621010;3.中铁二局集团有限公司,成都 610000)

在气候恶劣的城市,冰雪会严重影响道路交通,造成事故率和道路维修成本显著增加。此外,随着全球降水量和劳动力成本的增加,世界各国除雪成本在过去几年中显著增加。例如,美国明尼苏达州圣保罗机场的除雪预算约为每年 400万美元,而蒙特利尔的除雪计划接近1.6亿美元/年。近年来,大量研究利用焦耳效应[1-3]开发了由导电混凝土 (ECC) 制成的道路加热板。在ECC中,将导电物质添加到水泥混凝土中,以建立用于导电的通路。ECC加热系统的优点是温度分布更均匀,维护和维修成本低。水泥混凝土导电的原因在于:首先是固体导电相 (例如纤维,粉末,骨料等) 形成的渗滤网络的电子传导;其次是水泥浆中的离子在孔隙溶液中运动进行的电解传导[3]。

导电混凝土是利用胶凝材料和导电材料(石墨、碳纤维、钢纤维等)制备的复合功能混凝土。其不仅具有一定的荷载承受能力,而且具备导电和导热的功能,是一种功能型复合水泥基材料。目前,导电混凝土根据胶凝材料的不同,可分为三大类:无机类导电混凝土(如水泥混凝土)、有机类导电混凝土(如沥青混凝土)和复合类导电混凝土(如聚合物混凝土);按照导电材料不同,可分为碳质类(如石墨、炭黑、碳纤维等)导电混凝土和金属类(钢纤维)导电混凝土。论文针对水泥基导电混凝土,综述了原材料对导电混凝土性能的影响,此外还介绍了导电混凝土的应用领域。

1 原材料对水泥基导电混凝土性能的影响

1.1 石墨对导电混凝土性能的影响

石墨粉的细度和掺量对混凝土的工作性、强度和导电性均有影响。疏水性的鳞片状石墨,可以削弱新拌混凝土的工作性能。史延田等[4]研究指出,随着石墨粉掺量增加,新拌混凝土工作性能下降,表现为掺入石墨粉的混凝土流动性、粘聚性和保水性较差。而有研究表明[5]:石墨粉的加入,不影响混凝土的工作性能。

在混凝土中加入石墨粉,混凝土3 d、7 d、28 d强度降低,尤其是早期强度降低幅度大[6]。原因在于:石墨粉表面疏水;石墨粉一般细度超过300目,比表面积大,需水量大;石墨微观结构为层状结构,容易解理滑动,其摩擦系数小于0.1,宏观表现为石墨与水泥浆体粘结不牢固[7]。为了解决石墨与水泥石粘结问题,专利申请号为CN200510064446.1,名称为“一种掺石墨的导电混凝土的制备方法”,采用湿法高压挤压成型制作工艺,即混凝土成型后,进行高压挤压,滤除多余的水分,混凝土密实度提高,强度提高。

对于导电性,张文福等[8]的试验结果表明:随着养护龄期的增加,导电混凝土电阻率增加;相同龄期的混凝土,当石墨的掺量小于20%时,混凝土电阻率随石墨掺量的增加而减少。研究[9]发现,导电混凝土中,石墨的掺量有个临界值(渗流阈值),即当石墨掺量小于某个值(阈值)时,混凝土电阻率急剧下降,导电性能大幅增加;当石墨掺量超过阈值,随着掺量增加,混凝土导电性能不再提高,但强度会大幅下降。原因是当混凝土内石墨含量达到一定程度时,会形成导电链子,石墨掺量超过阈值后,对混凝土导电性能的作用不大。过多的石墨掺量不仅对混凝土力学性能不利,而且经济效益差,因此,渗流阈值在实际工程中有重要作用。

1.2 碳纤维对导电混凝土性能的影响

碳纤维是一种人工合成纤维,具有耐碱腐蚀、高抗拉强度、导电性等优良性能。混凝土中加入碳纤维,可提高混凝土抗拉强度,同时显著增加混凝土导电性。

碳纤维的长度和体积掺量对导电混凝土的工作性能具有较大影响。陈龙风[10]研究表明:随着碳纤维掺量增加,混凝土的坍落度和扩展度均减小,与普通混凝土相比,含气量随之增大。赵晶等[11]研究发现,新拌碳纤维导电混凝土坍落度经时损失随碳纤维体积掺量的增加而增加。随着碳纤维掺量的增加,新拌混凝土流动性下降,粘聚性和保水性提高,含气量提高。

水泥基混凝土属于脆性材料,抗拉强度低,收缩大,易开裂。加入碳纤维后,抗拉强度会大幅度提高,而抗压强度则可能降低。刘洪涛[12]研究表明,当碳纤维体积掺量在0.24%时,混凝土抗压强度和抗拉强度达到最大值。何建试验后发现,当碳纤维体积率为0.5%时,混凝土立方体抗压强度最高。佟钰[13]研究表明:当碳纤维体积率低于1%时,与3 mm纤维相比,5 mm纤维可以显著提高导电混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度。过量的碳纤维在分散和搅拌过程中会引入大量气泡,使混凝土含气量增大。此外,当混凝土碳纤维的体积率较高时,不能在基体中均匀分散而是发生团聚,造成基体整体粘结性较差,承受荷载时,造成应力集中而开裂。故就力学性能而言,碳纤维的体积率不能超过1%。

如图1所示,随着碳纤维体积率的增加,混凝土的电阻率降低,碳纤维渗滤阈值通常在0.4%～1%之间。当碳纤维体积率接近该阈值时,增加碳纤维体积率可以明显降低导电混凝土的电阻率;当碳纤维体积率超过阈值时,碳纤维掺量对混凝土导电性的影响较小,电阻率趋于某一极限值[14]。碳纤维阈值存在的原因是:当纤维掺量较低时,纤维之间不能相互搭接形成导电通路,导电性差;随着碳纤维体积掺量的增加,导电网络对于导电能力的贡献逐渐增加;超过阈值后,混凝土中含气量增加,混凝土导电性不再增加,甚至下降。综合碳纤维对导电混凝土工作性、力学性能和导电性的影响规律,考虑经济性, 碳纤维体积率不能超过1%。

1.3 钢纤维对导电混凝土性能的影响

钢纤维广泛用于超高性能混凝土(UHPC)中,能够极大地提高混凝土的力学性能。有学者针对钢纤维不同体积率对混凝土物理力学性能的影响作了试验研究,结果表明:钢纤维体积率在1.0%～2.5%时,混凝土弯拉强度增长速度较快。丁海鹏等[15]研究了不同钢纤维掺配比例对UHPC性能的影响,结果表明:钢纤维体积率在20%以内,混凝土坍落度和扩展度增加。掺入钢纤维能使胶凝材料间粘聚性降低,从而提高混凝土流动性和整个体系的均匀性,进而使混凝土工作性得到保证。

研究发现,混凝土中单掺钢纤维,混凝土的电阻率基本没有减小。虽然钢纤维也是一种导电相,但由于在混凝土其体积率一般较小,不能形成良好的电流回路。美国Sheriff Yehia等在钢纤维混凝土中掺入钢屑来提高其导电性能,成功地将混凝土的电阻率降到了几十Ω·cm。Yehia和Tuan研究发现,随着龄期的增加,钢纤维混凝土的电阻率明显增加,原因是混凝土内部pH>12.5,钢纤维发生钝化作用从而降低混凝土导电性。因此,单掺钢纤维的长龄期混凝土导电性能较差。目前,有研究将钢纤维与钢渣混合使用,不仅可以改善长龄期混凝土导电性下降现象,而且解决废渣利用问题,节能环保。也有采用钢纤维与石墨混合使用的研究,其中,石墨占粉体材料10%～15%、钢纤维在混凝土中的体积率为1.0%左右时,制备的导电混凝土性能稳定,此时电阻率为40～50 Ω·m。

2 水泥基导电混凝土的应用

2.1 导电混凝土作为电热土木工程材料

导电混凝土接通电源后,混凝土通电发热,产生大量热能。在我国北方需要取暖的地区,导电混凝土室内加热装置可以代替现有的暖气装置,通电后可快速加热室内空气,对于节能降耗、减少碳排放具有非常重要的社会意义和经济价值。此外,导电混凝土可以铺装路面,通电发热加速路面冰雪融化,一方面可以确保车辆安全通行,避免交通事故;另一方面,减少除冰盐和除冰机械对路面的破坏,增加路面耐久性。

2.2 制作电热元件

由石墨、普通硅酸盐水泥和铝质耐火材料组成的导电混凝土,既具有普通混凝土优异的可浇筑性,还具有一定的耐高温性和导电性,因此这种混凝土是一种较为理想的电阻加热元件。在制备过程中,调节混凝土中的石墨掺量,就可调整混凝土的导电性,以满足各种电热元件的功率要求。这种新型的无机非金属电热元件,电流可在整个混凝土电热元件内部均匀地流过,单位面积所允许通过的最大电流比较大,工作稳定且功率高。此外,导电混凝土电热元件的体积可以制作得比较大,从而提高散热面积,使得散热快且均匀,电热元件表面的温度低,可以避免出现明火,大大提高了安全性。

2.3 导电混凝土用于接地工程

导电混凝土具有优良的力学性能和耐腐蚀性,可用于输电线路的接地工程。我国将导电混凝土用作水利大坝的接地工程中已是成熟技术,如乔山水电站、白沙水电站和芹山水电站均有使用导电混凝土。

导电混凝土应用于接地工程中的方法是将其灌入垂直接地体的深孔中,接地体被导电混凝土握裹。该施工方法一方面可以防止接地体腐蚀;另一方面,可增加接地体与周围土壤的接触面积,降低接地电阻。高压输电网接地体易腐蚀的原因是接地体表面与土壤直接接触,接触面既有电子传导,又有离子传导,两种不同导电原理的电荷交换界面容易腐蚀,接触体寿命短。利用导电混凝土握裹接地体,由于导电混凝土通过电子进行导电,混凝土与接地体接触面均为电子传导,因此接触面不会腐蚀。又因导电混凝土致密,土壤内离子不易通过混凝土渗透到接地体表面,消除了两种不同导电原理的电荷交换界面,可以防止钢材接地体的腐蚀,延长其使用寿命。

至于提高导电混凝土的抗渗性,可在胶凝材料中加入膨胀剂,使混凝土在凝结硬化过程产生一定的体积膨胀和自应力,减少混凝土的化学收缩、自收缩和干燥收缩,提高混凝土的抗裂性和抗渗性,同时使其与接地体表面和地层紧密结合,从而消除接地体与土壤间的接触电阻。

2.4 混凝土结构无损检测

混凝土结构在受到荷载或应力作用时,往往在钢筋与混凝土的接触面、新旧混凝土的接触界面、砂浆与粗骨料之间的界面上出现微裂缝,即界面过度区(ITZ)上发生损伤。通过监测混凝土电阻率的变化可在一定程度上反映ITZ是否出现微裂缝,同时可以判断混凝土的应力与应变状态。因此,导电混凝土可作为反映建筑物应力状态的传感器,实时监测高层建筑、水利大坝、大跨度桥梁等重大工程的受荷情况。导电混凝土这种能感知结构应变及微观损伤的性能可为结构工程提供一种无损监测的有效方法。

2.5 工业防静电

对于化工厂而言,静电会引起爆炸,引发火灾。在石油化工行业,贮油罐会因油与油或油与贮油罐之间的摩擦而产生静电引起火灾。因此,消除静电对工业安全尤为重要。结构接地是众多的工业防静电的常用方法:将需要防止静电的地面或结构利用导电材料制作而成。目前,常用的导电性地面采用成本较高的导电橡胶、导电合成树脂等制成,虽然它们防静电的效果不错,但经济效益较低。而采用导电混凝土浇筑地面,只要适当控制导电混凝土中导电材料的含量或体积率,同样也可以达到很好的工厂防静电效果。

3 结 语

无机导电混凝土不仅具有一定的荷载承受能力,而且具备导电和导热的功能,是一种功能型复合水泥基材料。在水泥基导电混凝土研究中,由于金属纤维的钝化作用,研究更倾向于使用石墨导电材料,其稳定的导电性已经获得认可。导电混凝土具有材料来源广泛、制备简单、经济等特性,使其已经广泛用作电热土木工程材料、制作电热元件、用于接地工程、混凝土结构无损监测和工业防静电中。