凍融環境下導電混凝土的性能影響研究分析

晏鳳元 封 磊 朱華俊 申久成 柳 葉

南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211167

導電混凝土作為一種功能型混凝土材料，可應用于路面融雪化冰、建筑電磁屏蔽、室內采暖等工程。我國國土面積遼闊，有許多處于嚴寒一帶地區的建筑物會出現因凍融損傷而破壞的現象。因此導電混凝土能夠廣泛應用于北方寒冷地區路面融雪化冰、機場路面除冰等工程，前提是其各項性能受凍融損傷程度較小，對實際工程無重大影響。

2003 年美國設計建造完成了一座利用導電混凝土進行融雪除冰工程的Roca Spur 大橋，該座大橋一出現便引起了眾多關注，此后許多國家的科研人員便開始進行有關導電混凝土的一系列研究。重慶大學的李長太等將風淬鋼渣作為導電材料摻入混凝土基體，研究鋼渣形態和摻量對混凝土電阻率和強度的影響規律，發現鋼渣越細，更容易使得導電成分相互接觸，明顯提高混凝土的導電性能，以鋼渣代替集料制備而成的混凝土相比于普通混凝土具有更加良好的力學性能；孫華瑛等將鋼渣、礦渣復相代替水泥摻入混凝土，得出結論：礦渣的最佳摻量為30%，將鋼渣和礦渣同時摻入混凝土有效減少混凝土硬化收縮產生的裂紋，提高混凝土的耐久性。早期科研工作者們都致力于研究常溫條件下混凝土的導電和力學性能，希望能研究出有經濟效益而又具備高性能的導電混凝土。

直到近幾年才有人逐漸開始研究低溫乃至超低溫條件下導電混凝土的性能是否受到嚴重影響。2013 年趙若紅等將石墨和鋼纖維作為導電相材料制備導電混凝土，研究在超低溫零下32℃條件下該種導電混凝土融雪化冰的性能，發現摻入質量比例2%鋼纖維加1.5%石墨制備而成的導電混凝土試件性能最為優良，其經過5 次超低溫凍融循環仍具有良好的除冰性能，證明這種配合比條件下的導電混凝土能夠長期用于超低溫除冰；2018 年張陽等人通過分析不同凍融循環次數下鋼纖維石墨混凝土與素混凝土的力學性能，發現導電混凝土的質量損失程度和抗壓強度均優于普通素混凝土。同時發現凍融環境會使鋼纖維-石墨導電混凝土的電流及其變化范圍有所減小，發熱效率在相同電壓條件下有所降低。我國在導電混凝土方面的研究起步較晚，有關的發現相對較少，因此更加深入地探索對于建筑行業的發展將具有重要意義。

1 混凝土凍融破壞的機理分析

通常為了在攪拌混凝土時具備一定的和易性需要加入質量大于配合比設計規定數值的水，在凍融環境下這部分留在混凝土內部的游離水結冰造成體積膨脹，引起混凝土內部產生擠壓力，當這種擠壓力超過混凝土能夠承受的最大應力時，混凝土內部的細小孔隙或裂縫逐漸延展擴大，導致混凝土結構破壞。使得混凝土的動彈性模量有所降低，同時產生質量損失，造成混凝土的導電和力學性能明顯下降，研究凍融環境下導電混凝土的導電和力學性能變化特征可以對其結構采取相應的維護措施以保證工程實際應用的安全。

2 混凝土凍融破壞的影響因素

2.1 飽水度

由于凍融作用主要通過低溫影響使得混凝土內游離水的體積不斷發生膨脹和收縮，對混凝土內部結構產生破壞，因此在水化作用結束后剩余水的含量是混凝土發生凍融破壞的主要因素，所以在制備寒冷地區工程用導電混凝土時，需要嚴格控制水的用量，保證殘留水不會嚴重影響工程使用。

2.2 孔隙結構

水是混凝土發生凍融破壞的重要原因，而混凝土中水的形式是由孔隙結構決定的。孔隙結構參數主要包括：孔隙形狀、孔隙半徑、孔隙分布、孔隙間距系數，當孔隙半徑大于100μm 時，對混凝土的抗凍性能影響較大；孔徑越小，結冰率越低，凍融破壞程度越低；氣泡間距系數越小，混凝土抗凍性能越好。

2.3 含氣量

當混凝土在振搗不夠密實的情況下，內部會殘留有少量的空氣，或者在制備混凝土時加入引氣劑等類似外加劑，也會引入空氣，這部分空氣待混凝土成型后會形成不同結構形態的孔隙。含氣量越大，氣泡相對間距越小，在混凝土受到凍融循環作用初期，毛細管中的靜水壓力越小，混凝土的抗凍性能越好。在凍融循環結冰過程中，這些孔隙也會抑制細小冰粒的形成。而含氣量增加會減小氣泡間距，混凝土強度降低，因此混凝土中的含氣量應控制在一定合理范圍內[1]。

除此之外，混凝土的強度、體積、骨料、水泥種類等也是混凝土受到凍融破壞的主要影響因素，同時由于游離水結冰膨脹產生的擠壓力超過混凝土最大的抗拉強度時，混凝土會發生破壞，因此混凝土的抗拉強度越大，抗凍性能越好。

3 導電混凝土在凍融循環作用下性能評價指標

3.1 相對動彈性模量

相對動彈性模量是反映凍融環境下混凝土抗凍性能的重要指標，是指在動負荷作用下物體應力與應變的比值，一般可通過靜力學方法和聲學方法測得。用聲學方法測定時，一般是在很小的應力和交變動負荷下進行的，其測試精度高于用靜力學方法測得的結果。

3.2 質量損失率

在凍融環境下，混凝土會由于內部水分結冰膨脹產生的應力超過其抗拉應力，使得混凝土內部產生裂縫。凍融循環作用時間越長，裂縫進一步擴展，產生質量損失，因此質量損失率可以反映出混凝土的抗凍性能是否優良。混凝土質量損失率計算公式如下：

普通素混凝土在凍融循環作用下，質量損失變化分為3 個階段：下降期—緩慢上升期—加速上升期，當質量損失率達到5%時，即停止實驗。

3.3 強度損失率

由于在凍融環境下裂縫的產生和擴展，混凝土自身結構遭到破壞，其各項力學性能將有所降低，造成強度損失，強度損失率計算公式如下：

3.4 體積電阻率

圖1 四極法測量原理

4 相關導電混凝土研究現狀

（1）饒瑞等[2]將鋼纖維和石墨作為摻合料制備導電混凝土，發現鋼纖維-石墨導電混凝土在經歷300 次凍融循環后，相對動彈性模量為81.8%，質量損失率均在3%左右，抗壓強度下降23.7%，而普通素混凝土在經歷200 次凍融循環后，相對動彈性模量為58.1%，質量損失已達5.1%，抗壓強度降低39.8%，可以得出結論：鋼纖維-石墨導電混凝土的抗凍性能明顯優于普通混凝土。同時發現鋼纖維-石墨導電混凝土在經過凍融循環作用后，體積電阻率有所增大，在相同電壓條件下發熱功率有所降低。

（2）趙若紅等[3]研究在超低溫條件下導電混凝土的除冰效果，實驗發現導電混凝土電阻在超低溫環境下顯著上升，升溫性能更為良好，除冰效果優越，融冰過程均勻穩定。

（3）曹輝[4]研究低溫環境下碳纖維混凝土的力電關系，得出結論：碳纖維混凝土具有良好的壓敏性，其電阻值隨著載荷的增大而增大，在試件被破壞前電阻明顯減小，這對于預測結構破壞具有重要意義。

5 結語

智能建筑作為未來建筑行業的一個重點發展方向，導電混凝土技術的成熟是這種新型建筑形式發展的基礎。如何保證在低溫甚至超低溫環境下，混凝土的力學和導電性能在合理范圍內變化，不影響實際工程的應用，是導電混凝土技術面臨的一大難題。因此，我們還需對導電混凝土在凍融環境下的各項性能進一步探究，為推廣這種新型特種材料打下堅實的基礎。