水泥基導電混凝土研究現狀及應用

夏艷晴,王 寧,張超明,陽黎,張雨晴

(1.嘉華特種水泥股份有限公司,樂山 614000;2.西南科技大學材料與化學學院,綿陽 621010;3.中鐵二局集團有限公司,成都 610000)

在氣候惡劣的城市,冰雪會嚴重影響道路交通,造成事故率和道路維修成本顯著增加。此外,隨著全球降水量和勞動力成本的增加,世界各國除雪成本在過去幾年中顯著增加。例如,美國明尼蘇達州圣保羅機場的除雪預算約為每年 400萬美元,而蒙特利爾的除雪計劃接近1.6億美元/年。近年來,大量研究利用焦耳效應[1-3]開發了由導電混凝土 (ECC) 制成的道路加熱板。在ECC中,將導電物質添加到水泥混凝土中,以建立用于導電的通路。ECC加熱系統的優點是溫度分布更均勻,維護和維修成本低。水泥混凝土導電的原因在于:首先是固體導電相 (例如纖維,粉末,骨料等) 形成的滲濾網絡的電子傳導;其次是水泥漿中的離子在孔隙溶液中運動進行的電解傳導[3]。

導電混凝土是利用膠凝材料和導電材料(石墨、碳纖維、鋼纖維等)制備的復合功能混凝土。其不僅具有一定的荷載承受能力,而且具備導電和導熱的功能,是一種功能型復合水泥基材料。目前,導電混凝土根據膠凝材料的不同,可分為三大類:無機類導電混凝土(如水泥混凝土)、有機類導電混凝土(如瀝青混凝土)和復合類導電混凝土(如聚合物混凝土);按照導電材料不同,可分為碳質類(如石墨、炭黑、碳纖維等)導電混凝土和金屬類(鋼纖維)導電混凝土。論文針對水泥基導電混凝土,綜述了原材料對導電混凝土性能的影響,此外還介紹了導電混凝土的應用領域。

1 原材料對水泥基導電混凝土性能的影響

1.1 石墨對導電混凝土性能的影響

石墨粉的細度和摻量對混凝土的工作性、強度和導電性均有影響。疏水性的鱗片狀石墨,可以削弱新拌混凝土的工作性能。史延田等[4]研究指出,隨著石墨粉摻量增加,新拌混凝土工作性能下降,表現為摻入石墨粉的混凝土流動性、粘聚性和保水性較差。而有研究表明[5]:石墨粉的加入,不影響混凝土的工作性能。

在混凝土中加入石墨粉,混凝土3 d、7 d、28 d強度降低,尤其是早期強度降低幅度大[6]。原因在于:石墨粉表面疏水;石墨粉一般細度超過300目,比表面積大,需水量大;石墨微觀結構為層狀結構,容易解理滑動,其摩擦系數小于0.1,宏觀表現為石墨與水泥漿體粘結不牢固[7]。為了解決石墨與水泥石粘結問題,專利申請號為CN200510064446.1,名稱為“一種摻石墨的導電混凝土的制備方法”,采用濕法高壓擠壓成型制作工藝,即混凝土成型后,進行高壓擠壓,濾除多余的水分,混凝土密實度提高,強度提高。

對于導電性,張文福等[8]的試驗結果表明:隨著養護齡期的增加,導電混凝土電阻率增加;相同齡期的混凝土,當石墨的摻量小于20%時,混凝土電阻率隨石墨摻量的增加而減少。研究[9]發現,導電混凝土中,石墨的摻量有個臨界值(滲流閾值),即當石墨摻量小于某個值(閾值)時,混凝土電阻率急劇下降,導電性能大幅增加;當石墨摻量超過閾值,隨著摻量增加,混凝土導電性能不再提高,但強度會大幅下降。原因是當混凝土內石墨含量達到一定程度時,會形成導電鏈子,石墨摻量超過閾值后,對混凝土導電性能的作用不大。過多的石墨摻量不僅對混凝土力學性能不利,而且經濟效益差,因此,滲流閾值在實際工程中有重要作用。

1.2 碳纖維對導電混凝土性能的影響

碳纖維是一種人工合成纖維,具有耐堿腐蝕、高抗拉強度、導電性等優良性能。混凝土中加入碳纖維,可提高混凝土抗拉強度,同時顯著增加混凝土導電性。

碳纖維的長度和體積摻量對導電混凝土的工作性能具有較大影響。陳龍風[10]研究表明:隨著碳纖維摻量增加,混凝土的坍落度和擴展度均減小,與普通混凝土相比,含氣量隨之增大。趙晶等[11]研究發現,新拌碳纖維導電混凝土坍落度經時損失隨碳纖維體積摻量的增加而增加。隨著碳纖維摻量的增加,新拌混凝土流動性下降,粘聚性和保水性提高,含氣量提高。

水泥基混凝土屬于脆性材料,抗拉強度低,收縮大,易開裂。加入碳纖維后,抗拉強度會大幅度提高,而抗壓強度則可能降低。劉洪濤[12]研究表明,當碳纖維體積摻量在0.24%時,混凝土抗壓強度和抗拉強度達到最大值。何建試驗后發現,當碳纖維體積率為0.5%時,混凝土立方體抗壓強度最高。佟鈺[13]研究表明:當碳纖維體積率低于1%時,與3 mm纖維相比,5 mm纖維可以顯著提高導電混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度。過量的碳纖維在分散和攪拌過程中會引入大量氣泡,使混凝土含氣量增大。此外,當混凝土碳纖維的體積率較高時,不能在基體中均勻分散而是發生團聚,造成基體整體粘結性較差,承受荷載時,造成應力集中而開裂。故就力學性能而言,碳纖維的體積率不能超過1%。

如圖1所示,隨著碳纖維體積率的增加,混凝土的電阻率降低,碳纖維滲濾閾值通常在0.4%～1%之間。當碳纖維體積率接近該閾值時,增加碳纖維體積率可以明顯降低導電混凝土的電阻率;當碳纖維體積率超過閾值時,碳纖維摻量對混凝土導電性的影響較小,電阻率趨于某一極限值[14]。碳纖維閾值存在的原因是:當纖維摻量較低時,纖維之間不能相互搭接形成導電通路,導電性差;隨著碳纖維體積摻量的增加,導電網絡對于導電能力的貢獻逐漸增加;超過閾值后,混凝土中含氣量增加,混凝土導電性不再增加,甚至下降。綜合碳纖維對導電混凝土工作性、力學性能和導電性的影響規律,考慮經濟性, 碳纖維體積率不能超過1%。

1.3 鋼纖維對導電混凝土性能的影響

鋼纖維廣泛用于超高性能混凝土(UHPC)中,能夠極大地提高混凝土的力學性能。有學者針對鋼纖維不同體積率對混凝土物理力學性能的影響作了試驗研究,結果表明:鋼纖維體積率在1.0%～2.5%時,混凝土彎拉強度增長速度較快。丁海鵬等[15]研究了不同鋼纖維摻配比例對UHPC性能的影響,結果表明:鋼纖維體積率在20%以內,混凝土坍落度和擴展度增加。摻入鋼纖維能使膠凝材料間粘聚性降低,從而提高混凝土流動性和整個體系的均勻性,進而使混凝土工作性得到保證。

研究發現,混凝土中單摻鋼纖維,混凝土的電阻率基本沒有減小。雖然鋼纖維也是一種導電相,但由于在混凝土其體積率一般較小,不能形成良好的電流回路。美國Sheriff Yehia等在鋼纖維混凝土中摻入鋼屑來提高其導電性能,成功地將混凝土的電阻率降到了幾十Ω·cm。Yehia和Tuan研究發現,隨著齡期的增加,鋼纖維混凝土的電阻率明顯增加,原因是混凝土內部pH>12.5,鋼纖維發生鈍化作用從而降低混凝土導電性。因此,單摻鋼纖維的長齡期混凝土導電性能較差。目前,有研究將鋼纖維與鋼渣混合使用,不僅可以改善長齡期混凝土導電性下降現象,而且解決廢渣利用問題,節能環保。也有采用鋼纖維與石墨混合使用的研究,其中,石墨占粉體材料10%～15%、鋼纖維在混凝土中的體積率為1.0%左右時,制備的導電混凝土性能穩定,此時電阻率為40～50 Ω·m。

2 水泥基導電混凝土的應用

2.1 導電混凝土作為電熱土木工程材料

導電混凝土接通電源后,混凝土通電發熱,產生大量熱能。在我國北方需要取暖的地區,導電混凝土室內加熱裝置可以代替現有的暖氣裝置,通電后可快速加熱室內空氣,對于節能降耗、減少碳排放具有非常重要的社會意義和經濟價值。此外,導電混凝土可以鋪裝路面,通電發熱加速路面冰雪融化,一方面可以確保車輛安全通行,避免交通事故;另一方面,減少除冰鹽和除冰機械對路面的破壞,增加路面耐久性。

2.2 制作電熱元件

由石墨、普通硅酸鹽水泥和鋁質耐火材料組成的導電混凝土,既具有普通混凝土優異的可澆筑性,還具有一定的耐高溫性和導電性,因此這種混凝土是一種較為理想的電阻加熱元件。在制備過程中,調節混凝土中的石墨摻量,就可調整混凝土的導電性,以滿足各種電熱元件的功率要求。這種新型的無機非金屬電熱元件,電流可在整個混凝土電熱元件內部均勻地流過,單位面積所允許通過的最大電流比較大,工作穩定且功率高。此外,導電混凝土電熱元件的體積可以制作得比較大,從而提高散熱面積,使得散熱快且均勻,電熱元件表面的溫度低,可以避免出現明火,大大提高了安全性。

2.3 導電混凝土用于接地工程

導電混凝土具有優良的力學性能和耐腐蝕性,可用于輸電線路的接地工程。我國將導電混凝土用作水利大壩的接地工程中已是成熟技術,如喬山水電站、白沙水電站和芹山水電站均有使用導電混凝土。

導電混凝土應用于接地工程中的方法是將其灌入垂直接地體的深孔中,接地體被導電混凝土握裹。該施工方法一方面可以防止接地體腐蝕;另一方面,可增加接地體與周圍土壤的接觸面積,降低接地電阻。高壓輸電網接地體易腐蝕的原因是接地體表面與土壤直接接觸,接觸面既有電子傳導,又有離子傳導,兩種不同導電原理的電荷交換界面容易腐蝕,接觸體壽命短。利用導電混凝土握裹接地體,由于導電混凝土通過電子進行導電,混凝土與接地體接觸面均為電子傳導,因此接觸面不會腐蝕。又因導電混凝土致密,土壤內離子不易通過混凝土滲透到接地體表面,消除了兩種不同導電原理的電荷交換界面,可以防止鋼材接地體的腐蝕,延長其使用壽命。

至于提高導電混凝土的抗滲性,可在膠凝材料中加入膨脹劑,使混凝土在凝結硬化過程產生一定的體積膨脹和自應力,減少混凝土的化學收縮、自收縮和干燥收縮,提高混凝土的抗裂性和抗滲性,同時使其與接地體表面和地層緊密結合,從而消除接地體與土壤間的接觸電阻。

2.4 混凝土結構無損檢測

混凝土結構在受到荷載或應力作用時,往往在鋼筋與混凝土的接觸面、新舊混凝土的接觸界面、砂漿與粗骨料之間的界面上出現微裂縫,即界面過度區(ITZ)上發生損傷。通過監測混凝土電阻率的變化可在一定程度上反映ITZ是否出現微裂縫,同時可以判斷混凝土的應力與應變狀態。因此,導電混凝土可作為反映建筑物應力狀態的傳感器,實時監測高層建筑、水利大壩、大跨度橋梁等重大工程的受荷情況。導電混凝土這種能感知結構應變及微觀損傷的性能可為結構工程提供一種無損監測的有效方法。

2.5 工業防靜電

對于化工廠而言,靜電會引起爆炸,引發火災。在石油化工行業,貯油罐會因油與油或油與貯油罐之間的摩擦而產生靜電引起火災。因此,消除靜電對工業安全尤為重要。結構接地是眾多的工業防靜電的常用方法:將需要防止靜電的地面或結構利用導電材料制作而成。目前,常用的導電性地面采用成本較高的導電橡膠、導電合成樹脂等制成,雖然它們防靜電的效果不錯,但經濟效益較低。而采用導電混凝土澆筑地面,只要適當控制導電混凝土中導電材料的含量或體積率,同樣也可以達到很好的工廠防靜電效果。

3 結 語

無機導電混凝土不僅具有一定的荷載承受能力,而且具備導電和導熱的功能,是一種功能型復合水泥基材料。在水泥基導電混凝土研究中,由于金屬纖維的鈍化作用,研究更傾向于使用石墨導電材料,其穩定的導電性已經獲得認可。導電混凝土具有材料來源廣泛、制備簡單、經濟等特性,使其已經廣泛用作電熱土木工程材料、制作電熱元件、用于接地工程、混凝土結構無損監測和工業防靜電中。