摘要
寒区道路、桥梁、水库大坝面板积雪结冰严重影响工程性能发挥,对工程安全运维产生较大影响。长期以来,大量使用除冰盐、融雪剂等除冰材料给环境造成较大污染。作为一种环保、高效融雪除冰技术,导电混凝土在保障工程安全、延长工程服役寿命、提升工程服务质量等方面发挥着重要作用。将导电混凝土用作寒冷地区房屋建筑材料,不仅兼具室内采暖功能,还能在一定程度上缓解能源紧张。综述常用导电混凝土的制备工艺,分析碳质类导电混凝土、金属类导电混凝土及复相导电混凝土的力-电-热性能,阐述导电材料对导电混凝土综合性能(包括导电性、抗冻性、耐久性)的影响机制。基于此,围绕高性能、低成本目标,提出寒区导电混凝土的研究构想:广泛使用回收碳纤维等回收材料,发展多相导电混凝土技术;将磁选粉煤灰、矿渣和硅灰等作为掺合料应用于导电混凝土中;开展低电压下导电混凝土的升温性能和导电性能研究;综合利用清洁能源(如太阳能、风能等)发电为导电混凝土提供电源;开展复杂工程环境下导电混凝土-岩土体-环境反馈机制研究。
导电混凝土是由胶凝材料、导电材料、骨料和水等组成,用导电材料部分或全部取代混凝土中的普通骨料,按照一定的配合比混合凝结而成的多相复合材料,具有预设的导电性能和一定的力学性
作为世界上第3冻土大国,中国的多年冻土和季节冻土面积约占国土总面积的75
20世纪50年代末,前苏联掌握了以水玻璃和水泥作为基材的导电混凝土工艺,并广泛应用于电阻器、短路器和电腐蚀防护等领

(a) 桥面铺设的导电混凝土板

(c) 除冰工作控制系统

(b) 导电混凝土冬季除冰雪效果
图1 美国洛加马刺
Fig. 1 Roca Spur Bridge (USA)
通常,导电混凝土的导电机理:一方面,由分散在基体中的导电组分材料形成导电网络,通过隧道效应连接网络间的绝缘体传导;另一方面,通过水泥石传

(a) 寒区水库大坝面板除冰

(b) 隧道衬砌除冰防冻

(c) 路面工程(机场跑道)融雪除冰

(d) 建筑室内采暖
图2 寒区导电混凝土的应用
Fig. 2 Applications of conductive concrete in cold regions
近年来,导电混凝土的制备逐渐多样化,各种拌和工艺以及试验数据的测量方法也得到了长足发展。如

图3 导电混凝土制备流程图
Fig. 3 Flow chart of conductive concrete preparation
混凝土导电介质的掺量、形态和分散程度、集料和掺合料的掺量、水灰比、龄期、养护制度、含水量以及环境温湿度等因素显著影响导电混凝土的力学性能、导电性能和电阻率的稳定
用于导电混凝土的导电介质应具有良好的导电性、足够的力学强度和温度稳定性,且不与胶凝材料发生化学反应。目前,对导电混凝土的研究更多地聚焦在材料层面,侧重于导电介质的种类和掺量对其力-电-热性能的影

图4 常用导电介质
Fig. 4 Widely-used conductive media
制备纤维类导电混凝土的关键是如何让纤维均匀分散到水泥浆体中。根据搅拌时纤维和水泥的投料顺序,纤维导电混凝土的制备工艺主要分为3种,见
分散工艺 | 投料顺序 |
---|---|
半干拌法(后掺法) | Ⅰ水泥+水搅拌,Ⅱ加入纤维搅拌 |
干拌法(同掺法) | Ⅰ纤维+水泥干拌,Ⅱ加入水搅拌 |
湿拌法(先掺法) | Ⅰ纤维+水搅拌,Ⅱ加入水泥搅拌 |

图5 湿拌法制备碳纤维导电混凝土工艺流程图
Fig. 5 Flow chart of preparing carbon fiber conductive concrete by wet mixed method

图6 半干拌法制备碳纤维导电混凝土工艺流程图
Fig. 6 Flow chart of preparing carbon fiber conductive concrete by semi-dry mixed method
由于力学性能的缺陷和造价较高等原因,单一导电相混凝土的应用受到限制,为了解决这一问题并进一步提高导电混凝土的力学及导电性能,研究人员又进行了多相导电混凝土的研究。多相导电混凝土就是将两种及以上不同导电介质掺入混凝土中制成的导电混凝土,通过协同或互补提高导电混凝土的综合性能。叶嘉诚

图7 干拌法制备钢纤维-石墨导电混凝土工艺流程图
Fig. 7 Flow chart of preparing steel fiber-graphite conductive concrete by dry mixed method
在导电混凝土中掺加适量的掺合料有助于改善导电混凝土的力学和电学性能,同时可提高混凝土的耐久性,部分种类掺合料的加入还可减少导电介质掺量,从而降低制备成本。掺合料是一种粉状矿物质,可分为活性掺合料和非活性掺合料两大类。活性掺合料主要有粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰等(

图8 常用活性掺合料
Fig. 8 Widely-used active admixtures
粉煤灰掺量需达到水泥质量的30%以上才能发挥作用,但其掺量过大会导致碳纤维导电混凝土的导电性和力学性能下
目前导电混凝土的电阻率稳定性、温度稳定性等问题尚未得到较为科学有效的解决,高昂的制备成本以及投入运行过程中大量的能耗也是导电混凝土仍未规模化应用的重要原因之一。同时,对导电混凝土导电介质和掺合料方面的研究正方兴未艾,无论是导电介质和掺合料的掺量、投料顺序,还是搅拌时间、搅拌方式等都没有统一的结论,亟待进一步研究。
导电混凝土中导电材料主要分为碳质类、金属类和聚合物类3种,目前研究较多的有碳质类和金属类导电材
分类 | 导电材料 | 导电性能 | 价格 | 其他性能 |
---|---|---|---|---|
碳纤维 | 聚丙烯腈(PAN)基 |
导电性良好,是沥青基碳纤维的7倍 |
成本较高,是沥青基碳纤维的5~10 |
成品品质优异,工艺较简单,强度高、模量高、应用广 |
沥青基 | 比PAN基碳纤维导电性差 | 成本较低 |
原料来源丰富,但制备工艺复杂,模量高但强度低,产品性能较 | |
镀金属碳纤维 | 比普通碳纤维导电性好 | 成本较高 |
比普通碳纤维易分 | |
炭黑 | 乙炔炭黑 | 导电性好 | 价格低廉 |
加工难、掺量较大,但纯度高、性价比较 |
石墨 | 天然石墨 | 导电性因产地而异 | 价格低廉 |
易获取、具有良好的化学惰性,但难粉碎、掺量较 |
人造石墨 | 导电性因加工方法而异 | 价格低廉 |
电阻率取决于纯度,掺量较 | |
碳纳米材料 | 碳纳米管 | 导电性良好 | 价格昂贵 |
分散极为困难,在搅拌过程中易折 |
纳米炭黑 | 导电性良好 | 价格较碳纳米管稍低 |
比表面积大,界面性能优,制备工艺复 |
分类 | 导电材料 | 导电性能 | 价格 | 其他性能 |
---|---|---|---|---|
金属粉 | 银粉 | 导电性良好 | 价格昂贵 |
易氧化变 |
铁粉 | 导电性良好 | 成本低 |
易氧化,导致导电性能严重衰 | |
纳米铜粉 | 导电性良好 | 成本高 |
易氧 | |
金属氧化物 | TiO2、Fe3O4 |
纯氧化物导电性相对较 | 成本高 |
制备方法较为复 |
金属箔 | 铝箔 | 导电性好 | 成本高 |
色彩鲜艳、易氧 |
金属纤维 | 不锈钢纤维、镀铜钢纤维 | 导电性好 | 价格高 |
在水泥基体中存在钝化问题,长期导电性能下 |
碳纤维导电混凝土是在混凝土中掺入一定含量的碳纤维而制成的一种水泥基复合材
Sassani

图9 碳纤维导电混凝土加热路面系统温度分
Fig. 9 Temperature distribution of pavement system heated by carbon fiber conductive concret
碳纤维是制备路面除冰用导电混凝土的一种理想导电组分,但昂贵的价格限制了其应用。回收碳纤维的成本低于建筑用碳纤维,与原始碳纤维相比,节省成本30%~40
钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺配一定数量短而细的钢纤维所组成的一种性能优良的新型高强复合材料,由于钢纤维具有限制外力作用下水泥基料中裂缝扩展的能力,不仅使混凝土的抗拉、抗弯、抗剪强度等较普通混凝土显著提高,其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大改
赵若红
石墨是一种具有高导电性和导热性的无机材料,容易获取且价格低廉,具备良好的化学惰性,与绝大多数酸、碱、盐都不会发生反应,不溶于有机或无机溶剂,具有良好的抗氧化性
有学者尝试利用石墨导电混凝土制作室内采暖地面,试验结果表明,随着石墨掺量的增加,导电混凝土的电阻降
受材料性质的局限,单一导电相导电混凝土或多或少存在一些缺陷,而复掺两种或多种导电相材料可同时发挥几种材料的特性,起到相互补偿、相互促进的作用,更容易得到性能、成本等各方面都优异的导电混凝土。
吴献

图10 钢纤维-石墨导电混凝土导电机理简
Fig. 10 Schematic diagram of the conductive mechanism of steel fiber-graphite conductive concret
利用导电混凝土的电热效应解决寒区工程融雪除冰和防止混凝土冰冻害问题是确保寒区工程安全运维的重要技术之一。主要阐述了导电混凝土的几种常见制备工艺以及不同导电材料、配合比和不同掺合料作用下导电混凝土的力-电-热效应;分析总结了各种导电混凝土的主要性能及研究现状。目前,对碳质类、金属类导电混凝土导电性和强度的研究已经取得了一定成果,主要集中于复杂工程环境下的抗冻融及耐久性。尽管对于导电混凝土的研究已经有了一些成果和进展,但导电混凝土的制备及运行成本高、使用安全性等问题并没有得到根本解决。鉴于此,就未来寒区导电混凝土的发展提出如下展望,以图进一步降低导电混凝土的制备及运行成本。在低电压下开展导电性能研究,保证低能耗的同时也保证了实际运行时的安全性问题。
1)广泛使用回收碳纤维等回收利用材料,实现资源的变废为宝,并进一步发挥导电材料功能和尺度的互补特性,发展多相导电混凝土技术。综合材料性质及功能,将磁选粉煤灰、矿渣和硅灰等材料有机应用于导电混凝土中,进一步提高导电混凝土的导电性能,降低制备成本。
2)开展低电压下导电混凝土的升温性能和导电性能研究。现有导电混凝土的试验研究大多采用的是高电压,不仅耗能高,而且在使用中难以保证安全性。因此,还需进一步探究如何在低电压下保证导电混凝土的升温性能和强度等。
3)综合利用当地太阳能、风能等清洁能源为导电混凝土提供电源,以降低导电混凝土融雪除冰的运行成本,并将理论与实际结合,进行实际工程的验证与优化,为后续大范围工程应用提供技术支撑。
4)综合考虑导电混凝土技术性能、经济环保、安全性、耐久性等客观因素,开展复杂工程环境下导电混凝土导电性及力学性能的研究。现有对导电混凝土的研究大多局限于室内的小板试验和室外单一大板的融雪化冰试验,缺乏实际工程的试验研究,对实际环境因素的模拟还比较单一。
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