导电混凝土的研究综述.doc

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?导电混凝土的研究综述  摘 要:文章综合国内外文献概述了导电混凝土的发展过程和特点,介绍了导电混凝土的导电原理,导电相材料的常见类型以及性能要求,总结了导电混凝土的发展趋势。   关键词:导电混凝土;导电原理;电阻率;导电相材料   引言   混凝土是一种家喻户晓的建筑材料。它的发展虽然只有100多年,如今已成为世界范围内应用最广、用量最大的建筑材料。尽管混凝土的发展非常迅速,但其性能与使用要求之间仍存在较大差距。例如传统的混凝土在干燥情况下的电导率一般在106-109Ω?m,潮湿状态下达到101-104Ω?m,都不具有良好的导电性能[1]。若要改善其导电性能,则需加入某种导电介质,制成导电混凝土。   1 概述   1.1 导电混凝土的定义   导电混凝土是指由胶凝材料、导电相、介电骨料和水等组分,按照一定配比混合凝结而成的多相复合材料,是由导电相部分或全部取代混凝土中的普通骨料配置而成,具有规定的导电性能和一定力学性能的混凝土[2]。   1.2 导电混凝土的特点   导电混凝土既能发挥混凝土的优点,又能安全、简答、快捷的解除除雪化冰问题。而且采用导电混凝土将使除冰工作效率大大提高,对保证车辆行驶、飞机起降的安全性起到重要作用。此外,导电混凝土具有很好的机敏性,可以通过测定电阻率的变化反映路面内部情况。   2 导电混凝土的发展过程   导电混凝土最早被人们开始研制是在二十世纪30年代左右,包括前苏联,美国,英国,德国,加拿大在内的多个国家都开始探索了混凝土导电性能的可能性。   二十世纪50年代,前苏联不仅研究了混凝土导电性能的可行性,而且制定了相应的电工混凝土标准。他们把电工混凝土分为三类,即绝缘混凝土,导电混凝土,特种导电混凝土。   二十世纪70年代,人们冬季在路面上撒布除冰盐来消除路面和桥面上的冰雪,但确造成了混凝土的严重腐蚀。因此,美国和一些北欧国家开始关注混凝土通电加热性能。   二十世纪80年代,我国也加入了导电混凝土的研制队伍里[3]。   二十世纪90年代,人们在导电混凝土的研制和开发阶段获得了长足的进步。Banthia等人研究了碳纤维-钢纤维水泥复合材料的导电性。其28d龄期的导电混凝土的电阻率在31.9-78Ω?cm。   Xie等人又将导电混凝土分为两类:导电纤维增强混凝土和含有导电骨料的混凝土。并在美国申请了导电混凝土的相关专利,指出导电混凝土复合材料具有较低的电阻率和较高的抗压强度。   1988年Yehia等人开发了一种由石墨和碳质部分取代钢屑,并在所有配比中掺入体积分数为1.5%的钢纤维的导电混凝土。该混凝土在2001年成功的用其热电效应进行除冰化雪。   我国的唐祖全等人[1]在研究了混凝土融雪化冰的可能性后,阐明导电混凝土是可以应用于建筑采暖和路面融雪的。唐祖全又由硅酸盐水泥、钢渣和水为原材料制成了钢渣导电混凝土,并成功获得了发明专利。   1998年,李仁福[4]等?M行过一次利用水墨水泥净浆制作室内采暖地面的尝试,取得了较为满意的结果。   沈刚[5]等人研究了混凝土导电率与温度的关系。他们发现:当温度低于100摄氏度时,电阻率随温度的升高而下降;当温度高于100摄氏度时,电阻率随温度的升高而上升。   3 导电混凝土的导电原理   混凝土的导电方式由两部分组成。第一部分是由分散在基体中的导电组分材料形成网络,并通过隧道效应连通网络间的绝缘而传导。第二部分是通过水泥石的传导,即水泥石的传导。有学者将第二部分细分为:一种是通过自由的可蒸发水的离子导电;另一中是通过凝胶、凝胶水及未反应的水泥颗粒的电子导电。   4 常见导电相材料   4.1 炭黑   炭黑粒子的粒径分布会影响其导电性,粒径分布宽的粒子的导电性优于粒径分布窄的粒子。此外如果炭黑表面含有大量活性基团也会影响他的导电性能。   4.2 石墨   石墨层内的导电率温度系数呈正值,具有金属特性。石墨层间的导电率温度系数呈负值,是半导体。研究表明,只有在石墨的掺量比较高的时候才能使混凝土具有导电性,且混凝土的导电率在10-1-106Ω?m之间,但是混凝土的强度会大大降低。   4.3 碳纤维   水泥混凝土中掺入适量短切碳纤维后,除了可以提高水泥基体的韧性,提高他的抗拉强度外,还可以将他的电导率降低在102以内。相较于石墨,碳纤维的导电性优于石墨,也不会使混凝土的力学特性大幅降低。但是碳纤维的制作过程相当繁杂,成本较高。   吴少鹏[6]等人研究发现:石墨和碳纤维复合可制备具有良好导电性能的混凝土,其路用性能有所提高,但是电学性能的稳定性与路用性能的耐久性有待深入探究。   4.4 钢纤维   钢纤维本身作为金属就具有良好的导电性。将钢纤维掺入到混凝土中不仅可以显著提高它的力学性能,而且可以改善他的耐久性和抗冲击性能。   魏小胜等人[7]在配置导电混凝土时采用的是长35mm左右,直径6.5mm左右的钢纤维。经研究后发现,钢纤维体积分数在还未达到0.4%时,电阻率随着掺量增加显著下降,随后下降平缓。因此,钢纤维及金属粉末都不太适合作为导电介质添加在混凝土中。   4.5 钢渣   将钢渣掺入混凝土中,不仅成本低廉,而且混凝土的力学性能也不会降低。   钱觉时、李长太等人[8]利用风淬钢渣制备出来了导电混凝土。经试验研究后,发现钢渣的质量比上水泥的质量小于0.5时,混凝土的体积电阻率没有太大变化;当钢渣的质量比上水泥的质量在0.5-1.0时,其体积电阻率迅速降低;之后,混凝土的体积电阻率的变化趋于平稳。   5 导电混凝土的发展趋势   导电混凝土除了可以除去路面的冰雪外,而且还可以用于室内采暖、动物养殖场制造温室[6]。使用导电混凝土制造采暖地面相较于传统的采暖方式,摒弃了安装金属片、建造锅炉房这些举措,不仅工艺简单,而且成本低廉,稳定性好。   由不同导电相材料制成的导电混凝土,在电阻器、接地工程、工业防静电、金属防腐阴极;ぜ际、等领域都起着不可忽视的作用。   6 结束语   导电混凝土经过数十年的研究,尤其是自二十世纪九十年代以来,优秀的研究成果不断涌现,使得导电混凝土的研究日趋成熟,相应的力学性能和耐久性也变得稳定。在路面的除雪,电站的接地、地面的采暖等方面都有成功的应用。   但是导电混凝土还存在导电性能和力学性能不可兼得,导电材料组分制造工艺复杂等问题。为此,我们还需要对导电混凝土进行更深层次的研究,为推广该材料奠定基础。   
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