導(dǎo)電瀝青混凝土電極材料與布設(shè)形式研究綜述

楊文平，王云鵬，邊雪偉，楊明珠 （華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045）

1 引言

在寒冷季節(jié)，特別是北方道面積雪結(jié)冰現(xiàn)象嚴重地區(qū)，使得行車安全和人民生命財產(chǎn)受到威脅，路面積雪結(jié)冰還可能迫使交通中斷，給人們的出行帶來不便。導(dǎo)電混凝土是一種新型材料，屬于高度絕緣體，要使其導(dǎo)電就必須添加導(dǎo)電相材料，并在外部電流的作用下，由焦耳定律可使導(dǎo)電混凝土生熱。20世紀30-40年代，人們開始研制導(dǎo)電混凝土。20世紀50年代末，前蘇聯(lián)將炭黑摻入到鈉質(zhì)水玻璃混凝土中，得到電阻率為10-3Ω·m ～10-2Ω·m 的導(dǎo)電混凝土。20世紀70年代，美國、加拿大及北歐等國家為解決融冰氯鹽對混凝土的腐蝕性，進行對導(dǎo)電混凝土研究。我國在20世紀80年代對導(dǎo)電混凝土開始進行研究。Minsk[1]在1968年首次發(fā)表了導(dǎo)電瀝青混凝土的研究，他用的導(dǎo)電相材料是石墨。研究表明，電極的材料與布設(shè)形式會對導(dǎo)電混凝土的各項性能都會產(chǎn)生影響。針對電極材料與布設(shè)對導(dǎo)電混凝土的影響，特做以下綜述，為導(dǎo)電混凝土電極布設(shè)研究以及導(dǎo)電混凝土在道面除冰雪的運用奠定基礎(chǔ)。

2 導(dǎo)電混凝土的概述

2.1 導(dǎo)電混凝土的定義

本身是高度絕緣混凝土要變成導(dǎo)體需要在混凝土中摻入導(dǎo)電材料，使得混凝土的電阻率達到導(dǎo)電生熱的要求，同時與普通的混凝土相比各項性能沒有損失或損失較小。水泥混凝土由于水水化后自身含有一定量的Ca2+、SO42-等離子成分，在潮濕的環(huán)境下本身具有一定的導(dǎo)電能力，而傳統(tǒng)瀝青混凝土的電阻率為106Ω·m～1012Ω·m，屬于高度絕緣體[3]。美國的 sherif Yehia和Christopher Y.tuan[2]提出對于融雪化冰用導(dǎo)電瀝青混凝土來說,其電阻率至少要在10Ω·m以下。可以說研究導(dǎo)電混凝土就是研究導(dǎo)電混凝土的電阻率。

2.2 導(dǎo)電混凝土的類型

根據(jù)導(dǎo)電材料的差異性可以把導(dǎo)電混凝土按材料名稱命名和分類，導(dǎo)電相填料有碳纖維、石墨、石墨烯、鋼渣、鋼纖維、炭黑等。把參加碳纖維的導(dǎo)電混凝土叫做碳纖維導(dǎo)電混凝土、鋼纖維的混凝土稱為鋼纖維導(dǎo)電混凝土等。還有在混凝土中摻加多種導(dǎo)電材料，如加入石墨和碳纖維的混凝土叫石墨碳纖維導(dǎo)電瀝青混凝土，加入了兩種或者多種導(dǎo)電材料的混凝土，統(tǒng)稱為復(fù)合導(dǎo)電混凝土。由于瀝青混凝土具有優(yōu)越的路用性能，導(dǎo)電瀝青混凝土更具有使用價值，其中比較新穎的是澆注式導(dǎo)電瀝青混凝土，澆注式導(dǎo)電瀝青混凝土就是在澆注式瀝青混凝土中加入導(dǎo)電相填料，使得其具有澆注式瀝青混凝土優(yōu)良性能的同時也具導(dǎo)電性，從而達到融冰雪的效果，由于澆注式導(dǎo)電瀝青混凝土油石比高，價格較昂貴，目前研究主要是用于橋面的鋪裝，但還沒有實體工程。

3 研究導(dǎo)電混凝土的意義

我國受冰凍影響地區(qū)廣泛，其中路面積雪結(jié)冰使得人們出行受阻。為了不影響人們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較徹底，但效率低且影響交通。機器除雪法除雪速度快，除雪面積達，但價格昂貴，甚至要中斷交通或者增加機械閑置費用。化學(xué)劑法中國內(nèi)外常用的是撒布氯化物融雪劑，撒布融雪劑可以有效除去道面冰雪，提高路面安全系數(shù)，車輛附著系數(shù)恢復(fù)，保證了道路的暢通。然而撒布融雪劑使得氯離子下滲入到混凝土中使得鋼筋纖維銹蝕、路面剝離破壞，還可能給道路沿線的土壤造成鹽侵蝕。已有案例說明了融雪劑帶來的負面影響。例如，1988年，由于使用氯鹽融雪劑使得美國已經(jīng)建成的60萬座鋼筋混凝土橋出現(xiàn)損害，需要投入2000億美元修復(fù),相比于建設(shè)費用，復(fù)修的費用是當初建橋費用的4倍[3]。因此很迫切的需要研發(fā)一種新型的道路融冰化雪方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的方法。Yehia S和C.Y.Tuan等[4]在導(dǎo)電混凝土中通入48V的電壓,輸出功率為5l9W/m2就可以使得路面無積雪和結(jié)冰,經(jīng)計算每場降雪的能量消耗約為$0.7/m2～$1.0/m2，從此可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電混凝土的研究存在巨大的經(jīng)濟潛力。

4 導(dǎo)電混凝土電極材料與布設(shè)形式

導(dǎo)電混凝土要設(shè)置電極才能與外導(dǎo)電相連而導(dǎo)電，因此有必要研究導(dǎo)電混凝土中的電極。電極材料，電極電阻以及與測試試樣之間的接觸關(guān)系，都會影響導(dǎo)電瀝青混凝土電阻測試結(jié)果。楊元霞，劉寶舉[5]等在導(dǎo)電混凝土及機敏混凝土電阻測試研究中，以銅片和石墨布為原材料制備了電極進行研究，研究發(fā)現(xiàn)：使用石墨布（4cm×4cm）電極與外電線膠粘，并且在試件養(yǎng)護后表面涂導(dǎo)電膠，上壓貼銅導(dǎo)線和石墨布后固化測得的電阻率最小為2.84kΩ·cm，變異系數(shù)為12。韓寶國，關(guān)新春，歐進萍[6,7]等采用銅網(wǎng)、鋼網(wǎng)、鋼片為電極材料，人為測試碳纖維導(dǎo)電混凝土的電阻率，對比了有埋入式和外貼式兩種布設(shè)對電阻進行測試，研究發(fā)現(xiàn)，埋入式的網(wǎng)狀電極測量較準確。唐祖全、錢覺時等[8]人研究發(fā)現(xiàn)：在導(dǎo)電混凝土中內(nèi)埋不銹鋼板電極升溫速率最快且板中心溫度最高。侯作富、李桌球等[9]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)上下式網(wǎng)狀電極與混凝土接觸比左右式不銹鋼電極較緊密，升溫速率高。王朝輝，韓曉霞[10]等全面研究了電極布設(shè)方式、碳纖維撒布量、導(dǎo)電相材料參變量對澆注式導(dǎo)電瀝青混凝土傳導(dǎo)熱效果的影響，研究在考慮經(jīng)濟與施工難易程度的條件下選擇鋁電極，布設(shè)方式選擇豎向并在電極和試樣之間撒布碳纖維以減少接觸電阻，碳纖維撒布量為170g/m2，電壓輸出方式為交流電，大小宜為54V。劉鵬[11]采用石墨烯作為導(dǎo)電瀝青混凝土電極材料，采用仿真模擬結(jié)合室內(nèi)升溫實驗的方法確定電極的布設(shè)方案。建立石墨烯電極導(dǎo)電瀝青混凝土電熱模型；進行了仿真模擬與室內(nèi)試驗驗證，驗證石墨烯電極方案具有較高的升溫速率。并研究電極的工作性能的影響因素。但是目前所研究的導(dǎo)電瀝青混凝土都是單層結(jié)構(gòu)，還沒有運用雙層結(jié)構(gòu)的研究。綜上所述，電極材料可以選用鋁片、不銹鋼、銅片、銅網(wǎng)、石墨片、石墨烯等。考慮經(jīng)濟性等原因，推薦采用的電極材料為銅絲網(wǎng)。布設(shè)形式根據(jù)施工情況和電極的耐久性確定采用上下設(shè)置和側(cè)面設(shè)置，鑒于上下埋設(shè)的電極電阻穩(wěn)定性不足，隨著時間的延長而變大，故此推薦選用側(cè)面設(shè)置，側(cè)面設(shè)置電極容易連接外部導(dǎo)線，并在布設(shè)側(cè)面電極時在導(dǎo)電混凝土與電極之間撒布微量石墨。

5 結(jié)語及展望

在廣義上研究導(dǎo)電混凝土就是研究導(dǎo)電材料和電極，目前導(dǎo)電瀝青混凝土還在成長期，還沒有用于道路實體工程，考慮到傳導(dǎo)熱效果和制作簡便的原因，許多研究都只考慮單層導(dǎo)電瀝青混凝土的電熱性能研究，因此有必要廣泛的研究導(dǎo)電瀝青混凝土。從以上的分析可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電混凝土中電極布設(shè)形式采用埋入式可獲得較好的導(dǎo)電生熱效果，融冰效率更高。導(dǎo)電混凝土的研究將會給路面融冰雪技術(shù)注入新鮮的血液，更加的節(jié)約經(jīng)濟成本，并成為一種無污染的融冰雪技術(shù)。