导电混凝土的研究现状及进展

—52— 2014年10期I A N Z H U K E X U E
建筑科学 J 导电混凝土的研究现状及进展
韩晓泽 戴冠东
（重庆交通大学 重庆 400074）
摘要：综舍国内外文献分析了导电混凝土的导电机理，介绍了石墨、碳纤维、钢纤维及钢屑等常用导电组分材料及其导电混凝土的性能、导电混凝土电性能的影响因素，介绍了导电混凝土在室内采暖、变电站接地网和电热除冰化雪中的应用，指出了目前导电混凝土研究和应用方面存在的不足。

关键词：混凝土；导电性；电热
1 引言
混凝土因其优良的物理力学性能在土木工程领域得到了广泛应
用，是目前使用量最大的一种建筑材料。

普通混凝土的电阻率高，属
电的不良导体。

在普通混凝土中添加一定含量的导电组分材料，可使
其导电性大大改善。

本文综合国内外文献分析了导电混凝土的导电机
理，介绍了常用导电组分材料及其导电混凝土的性能、导电混凝土电
性能的影响因素、基于混凝土导电性的机敏性研究和导电混凝土的工
程应用研究，指出了目前导电混凝土研究和应用方面存在的问题。

2 导电混凝土的导电机理
导电混凝土是指由胶凝材料、导电组分材料和水等按一定配合比
组成的多相复合材料，是在普通混凝土中掺入适量导电组分材料而形
成的一种水泥基功能复合材料。

其中导电组分作为分散相，导电性能
好；混凝土或水泥作为基体相，导电性能差。

导电混凝土的导电一方
面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
网络问的绝缘而传导，另一方面通过水泥石传导。

3 常用导电组分材料及其导电混凝土的性能
目前常用于制作导电混凝土的导电组分主要有石墨粉、碳纤维、
钢纤维及钢屑等，不同组分导电混凝土的力学和导电性能差异较大。

3.1 石墨
石墨是一种较易获取的无机材料，它不仅具有良好的导电性、导
热性，而且有良好的化学惰性。

研究表明，导电混凝土的电阻率随石
墨掺量的改变可在l0-1~106 Ω・cm 范围内变化，但必须在掺量较高
时才能使混凝土具有良好的导电性，这将使混凝土的强度大幅度降低。

当石墨掺量为25％时，石墨水泥的电阻率降为7.4×103 Ω・cm，但其强度不足10 MPa [1]。

3.2 钢纤维及钢屑 钢纤维具有良好的导电性，其电阻率约为（1.33~2.44）×10-5 Ω・cm。

在混凝土中掺人一定含量的钢纤维，也可以提高混凝土的导电能力。

对平均直径为25 µm、长度3 mm 左右的钢纤维，当体积掺量为1％ ~5％时，养护28 d 的电阻率为（31.9~7.4）×103Ω・
cm [2]。

当掺入1.5%~2％钢纤维和10％ ~20％钢屑，混凝土的电阻率为500~1 000 Ω・cm，抗压强度为35~40 MPa。

3.3 碳纤维 将适量短切碳纤维掺到水泥混凝土中，不但可以起到增强效果、提高脆性水泥基体的抗拉强度和抗冲击性能、提高韧性，同时还可以改善水泥混凝土的导电性[3]，其电阻率从109Ω・cm 降至l02Ω・cm 以内。

研究结果表明，掺入碳纤维或钢纤维均能使水泥浆的电阻率降低，且电阻率随纤维掺量的增大而减小。

掺入混杂纤维，即通过掺加一定量碳纤维形成相互连通的导电网络，同时掺人适量电阻率低的钢纤维，将获得比单掺碳纤维或钢纤维（体积掺量相同）更好的导电性。

4 导电混凝土导电性能的影响因素 混凝土的配合比组成是影响导电混凝土导电性能的主要因素，包括导电组分材料的类型、形状特征（颗粒状或纤维状）颗粒大小或长径比大小、掺量及混凝土的水灰比等；另外，混凝土导电性随固化龄期的延长和环境温度、湿度而变化。

对碳纤维混凝土而言，除上述因素外，纤维的均匀分散性对混凝土导电性影响显著。

5 导电混凝土的工程应用研究 目前开展的应用研究主要有以下三个方面：室内采暖、电力设备接地工程和电热除冰化雪。

室内采暖是利用导电混凝土的电热特性，即通电后产生热量，从而达到采暖的目的。

文献[4]对导电混凝土采暖地面的初步研究结果表明，对设计功率为1 kW 的3.0×2.6m 的导电混凝土地面，每天通电4 h 即可满足采暖要求。

变电站接地网是保证电力系统安全可靠运行、保证人身及设备安全的重要设施，其接地电阻是接地网的主要技术参数之一。

一般说来，在设计土壤电阻率较高的变电站时，接地电阻不太容易满足规程要求，需要采取降阻措施。

采用导电混凝土接地，通过降低接地电极表面与土壤的接触电阻和电流在地中扩散时所经过路径的电阻，可达到降低接地电阻的目的。

该方法具有接地电阻小、接地电阻稳定、使用寿命长等优点，可在高电阻率地区接地工程中广泛推广应用。

导电混凝土电热除冰化雪的工作原理是：将导电混凝土与外部电源连通，混凝土内产生热量，使路面温度升高。

当路面温度上升到0℃ 以上后，路面上的冰雪就会吸热融化成水蒸发、流走，从而保障道路畅通和行车安全。

这一技术的应用，不但有助于冬季道路畅通和行车安全，而且还将消除除冰盐的使用及除冰盐给混凝土结构和环境所带来的负面影响。

6 存在的问题及解决措施 目前导电混凝土的研究和应用存在以下两个关键问题，需要进一步研究解决： 1）对颗粒状或粉末状的石墨粉、碳粉、焦碳及钢屑等导电材料，由于其长径比小，当掺量较小时，导电材料难以相互接触，不能形成良好的导电网络，故其导电性能差；当掺量较大时，一方面由于碳黑、焦碳等自身强度较低，另一方面由于导电材料的吸水性，将加大混凝土拌和时的需水量（水灰比），使混凝土的强度大幅降低，难以满足
土木工程对力学强度的需要。

因此，目前研究的导电混凝土难以较好
地兼顾力学与导电这两方面性能的要求。

2）导电混凝土的造价普遍较高。

特别是石墨、碳纤维等导电组
分材料价格昂贵，使其造价远远高于普通混凝土。

加拿大的Xie
等在混凝土中掺人体积含量为15%~20％的钢屑和1.5％~2.0％钢纤
维，使混凝土的造价增加了4倍，达到250$/m 3。

上述两个因素严重
制约了导电混凝土在实际工程中的大量推广应用。

根据导电混凝土的导电机理和电导渗流理论，可采取同时掺入导
电纤维和导电颗粒的方法，即在适量纤维相互搭接形成导电网络的基
础上，掺人导电颗粒，以增大导电组分的接触面，从而在确保混凝土具有足够力学强度的基础上，获得较好的导电性。

对导电性要求不太高的混凝土，可采用钢渣等固体废弃物进行配制。

炼钢过程产生的废
弃物钢渣中除含有较高的金属铁及其氧化物（半导体材料，具有一定
导电能力）外，还具有可代替天然骨料制备混凝土。

作为一种工业废渣，其价格十分便宜。

因此采用钢渣制备导电混凝土，将有效克服以往价格高、混凝土性能下降的缺点。

参考文献：
[1]杨元霞，刘宝举，沈火荣．不同填料对导电水泥基复合材料物理性能影响的研究[J].长沙铁道学院学报，1997，15（3）：21—25． [2]Banthia N，Djeridane S，Pigeon M．Electrical Resistivity of Carbon and Steel Micro—Fiher Reinforced Cenlents[J]．Cement and Concrete Research，1992，22（5）：804—814．
[3]叶青，张泽南，胡国君．掺碳纤维水泥基导电材料的物理性能研究[J]．混凝土与水泥制品，1995，3：43—46．
[4]李仁福，戴成琴，于纪寿，等．导电混凝土采暖地面[J]．混凝
土，1998，1：47—48．。