导电混凝土的导电性能与应用研究
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２００６ 年第 ４ 期（总第 ３４ 卷 第 １８８ 期） Ｎｏ．４ ｉｎ ２００６（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１８８， Ｖｏｌ．３４）
房材与应用
■材料性能研究与应用 ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ
导电混凝土的导电性能与应用研究
谭宏斌 马小玲
（陕西理工学院材料学院， 陕西 汉中 ７２３００３）Βιβλιοθήκη Baidu
摘要： 介绍了导电混凝土的导电机理， 以及该材料在电磁屏蔽、电热、机敏方面的原理。综述了该材料在电磁屏蔽、电
本文介绍了导电混凝土的研究现状和应用前景， 该材料在道路、桥梁、大 坝等大型复 杂基础设施 和人 居建筑物等方面展现出了良好而广阔的应用前景。但 作为一种新型的功能材料， 如果要投入实际工程， 还 有很多问题需要进一步研究。
在电磁屏蔽应用方面的研究： 将趋向屏蔽效果更 好， 屏蔽频率范围更宽， 材料具有高的机械性能、高的 抗周围电磁干扰能 力， 且屏蔽 效果不受天 气、频率的 限制； 材料成本要求低廉。
随着现代电子工业的高速发展和各类电子产品 的普遍使用， 移动通讯 、广播、雷达、计 算机等已成 为 人们日常生活中经常接触的事物。在这些东西给人们 带来方便和快捷的同时， 也使电磁波辐射成为一种新 的公害。电磁波辐射不仅影响人们的身体健康， 而且 对周围的电子设备造成严重干扰， 使它们的工作程序 发生紊乱， 产生错误动作； 还会造成的信息泄露使计
１
现在 １ＭＨｚ～１．８ＧＨｚ 的低频区域， 短碳纤维石墨混凝 土的最大电磁屏蔽效果达到 ８．５ｄＢ， 为设计高性能低 频电磁屏蔽混凝土提供了依据。在 １．５ＧＨｚ， 水泥砂浆 掺 入 直径 １μｍ、长度为 ３ｍｍ 的碳 纤维， 当碳纤 维 含 量为 １．５ ｖｏｌ％的时， 其电磁屏蔽效果达到 ４０ｄＢ［９］； 将直 径为 ８μｍ、长为 ６ｍｍ 的不锈钢 纤 维 掺 入 水 泥 砂 浆 中， 当不 锈钢纤维体 积含量为 ０．７２ｖｏｌ％时， 水泥砂浆 的屏蔽效果为 ７０ｄＢ［１０］。Ｂａｃｈｅ 等人［１１］用混有金属或合 金粉末生产磁性混凝土， 可用于加工电磁仪器的磁性 混凝土。 ２ 电热效应
唐 祖 全 等［３］研 究 了 导 电 混 凝 土 电 热 层 布 置 对 路 面 除冰效果的影响， 分析结果表明， 采用导电混凝土覆 层的形式布置电热层可取得较好的融雪化冰效果。侯 作富等人［２３］认为交流电比直流电有更好的升温效 果， 在工程上可以方便的使用交流电， 这对降低建造成本 有利。 ３ 机敏性
由图 ３ 可以看出， 当应力较小时（ＡＢ 段）， 电阻率
２
随应力的增大而减小， 这是由于混凝土中原有的裂纹 在应力作用下闭 合、导电相间 的势垒变窄 所致 ， 这是 混凝土的正常工作范围。在 ＢＣ 段混凝土处于一种动 态平衡， 随着应力的增大， 混凝土中开始出现损伤和 新的裂纹， 而原有的裂纹还在闭合之中。此阶段电阻 率基本上没有变化， 而混凝土材料已开始出现损伤。 随着应力的 继续增大， 曲 线 进 入 ＣＤ 段 ， 导 电 网 络 破 坏， 电阻迅速增高， 此阶段为混凝土的损伤和新的裂 拉 加 剧 阶 段［２９］。
分数）。沈刚等人 ［２０］在钢纤维石墨复相导电混凝土的研 究中发现， 石墨最佳质量分数在 １０％～１５％之间， 钢纤 维体积分数在 １．０％左右； 温度对混凝土电阻率有一定 的影响， 随着温度升高， 混凝土导电率也相应减小， 在 温度低于 １００℃时， 电阻率随温度的升高下降不明显。 Ｓｈｅｒｉｆ 等人［２１，２２］， 开展了利用钢纤维钢屑混凝土的导电 性， 除去桥梁路面冰雪的实验研究， 认为该导电混凝土 材料同时具有高的力学性能和好的导电性。
导电混凝土的导电性会随外加载荷的变化而发 生相应的变化， 也就是通过观测电阻的变化可以反映 混凝土受力状况［２８］。随着压力增大， 电阻的 变化存在 可逆感应区、平 衡区和剧增 区， 分别对 应于试块内 原 有 缺 陷 裂 纹 的 闭 合 张 开 、新 裂 纹 的 产 生 和 裂 纹 扩 展 破 坏 ３ 个阶段。因此， 可利用于材料对内部应力、应变和 损伤程度的自感， 开发成一种本征型传感器， 应用于 建筑结构的安全检测中。导电混凝土压应力与电阻率 的关系曲线示于图 ３。
世 界 各 国 融 化 道 路 冰 雪 ， 通 常 采 用 撒 盐（ＮａＣｌ， ＣａＣｌ２ ）的方法， 但 是， 撒盐 法 也 给 混 凝 土 路 面 结 构 和 环境带来了许多负面效应， 主要表现为钢筋钢纤维锈 蚀、路面剥蚀破坏和环境污染等问题［１２］。世界 上不少 国家因使用除冰盐， 已造成道路、桥梁的严重破坏， 目 前正在花费巨额费用进行修复， 其经济损失十分巨 大。例如， １９９８ 年，美国 ６０ 万座钢筋混凝土桥中，被列 入修复计划的费用是 ２０００ 亿美元，是当初建桥费用的 ４ 倍［１３］； 英 国 于 １９７２ 年 在 ２０㎞ 长 的 高 速 公 路 段 上 建 了 １１ 座桥， 因撒盐使混凝土开裂， １５ 年的修复费已是 建桥费的 １．６ 倍， 我国东北道路也因撒除冰盐造成路 面 严 重 破 坏 ［１４］。因 此，利 用 混 凝 土 加 热 除 去 路 面 冰 雪 的 研究， 成为路面除冰雪研究的一个热点。
Ｅｉ— ——入射电 磁波的幅 度 ； Ｒ１— ——电 磁 波 在 Ａ 面 的反射场的幅度； Ｒ２— ——电磁波在 Ｂ 面的反射场的幅 度：Ｔ— ——电磁波被屏蔽材料吸收和衰减而引起的电磁 波吸收损耗幅度； Ｅ０— ——电磁波穿透出屏蔽体的强度。
目前， 在电磁屏蔽混凝土的研究中， 通过在混凝 土中掺碳纤维研制出的预制板已成功应用在 ９ 层大 楼的屏蔽围护结构上 ， 主要用作 频率范围在 １０ＧＨｚ 以下的电磁信号的泄露和外部的电磁干扰［５］。Ｓａｔｏ 等 人［６］研 究 了 混 凝 土 墙 体 对 电 磁 波 的 反 射 和 传 递 进 行 控 制 。 张 跃 等 人［７］研 究 了 碳 纤 维 — 无 宏 观 缺 陷 水 泥 基 复 合材料的电磁屏蔽， 测得 在 ４００ＭＨｚ～１６０ＭＨｚ 范围 内，电磁屏蔽效果能为 １００ｄＢ～４００ｄＢ。司琼等人［８］对 短碳纤维石墨混凝土的电磁屏蔽性能进行了研究， 发
算机等仪器无信息安全保障。混凝土是一种用途很广 的建筑结构材料， 使混凝土具有电磁屏蔽性能， 成为 研究的热点。
电磁屏蔽的基本原理是［３， ４］： 采用低电阻的导电材 料， 并利用电磁波在屏蔽导体表面的反射和在导体内 部的吸收以及传输过程中的损耗而产生屏蔽作用， 通 常用屏蔽效果（Ｓｅ）表示。
图 １ 混凝土电磁屏蔽原理示意
热、机敏方面的研究现状和应用前景， 并展望其发展趋势。
关键词： 导电混凝土 电磁屏蔽 电热 机敏
中图分类号： ＴＵ５２８
文献标识码： Ａ
文章编号： １００７－２９１８（２００６）０４－０００１－０４
混凝土是以硅酸盐水泥为基体， 加入集料、水、外 加 剂 、掺 合 材 料 等 材 料 复 合 而 成 的 复 合 材 料 。 导 电 混 凝土是在混凝土中加入一定的导电相复合而成， 使混 凝土具有导电性能的一种新型复合材料。混凝土发展 历史已有 １００ 多年， 它已成为世界范围内应用最广、 用量最大的建筑材料。混凝土具有诸多重要优点， 特 别 是 其 具 有 很 充 分 的 改 造 性 、复 合 性 。 普 通 混 凝 土 既 不属于绝缘体也不属于良导体， 其电阻一般为 １０４Ω· ｍ～１０７Ω·ｍ［１］。在 混 凝 土 中 添 加 一 定 含 量 的 导 电 组 分 （一般为碳纤 维、碳细丝（直 径 ＜１μｍ）、不锈钢 纤维和 石墨）， 可改善其导电性能。当导电材料掺量低时， 导 电材料均匀地分散在基体材料中， 彼此相互隔离而不 搭接， 对导电贡献较小， 复合材料的电阻率主要由基 体材料的电阻率决定； 随掺量的增加， 导电材料间出 现搭接并形成局部的导电网络， 电流通过电子或空穴 在局部导电网络间并通过隧道效应跃过导电材料间 的基体阻隔而传导， 其电阻率较小； 当导电材料的掺 量增大到渗滤阀值时， 局部导电网络相互接触从而在 基体内形 成相互连 通的导 电 通 道［２］， 从 而 使 混 凝 土 的 导电性能大大提高。现就导电混凝土的研究现状和应 用综述如下。 １ 电磁屏蔽
混凝土已逐 渐向高强、高 性能、多功能 和智能 化 发展， 用它建造的混凝土结构也趋于大型化和复杂 化。然而混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作 用、疲劳效应 、腐蚀效应和 材料老化等 不利因素的 影 响， 结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减， 甚至 导 致 突 发 事 故［２４］。 如 何 保 证 混 凝 土 工 程 结 构 处 于 一 种 良好的工作状态， 是摆在工程界的重大技术问题［２５］。为 了有效地避免突发事故的发生， 延长结构的使用寿命， 必须对此类结构进行实时的“ 健康”监测， 并为及时进 行修复提供依据。现有的无损检测方法， 如声波检测、 Ｘ 射线等， 只能定性检测， 而不能定量、数据化处理， 更 主要的是不能实现实时监测 ［２４］。目前， 结构的安全监 测和控制主要是借助外加的传感器来实现的。这些器 件的引入增加了结构设计和制造工艺的复杂程度， 其 成 本 大 大 提 高［２６］。 如 果 所 用 混 凝 土 本 身 作 为 传 感 器 便 可能实行自我监控。混凝土通过复合某些导电物质成 分， 使得混凝土结构具有机敏性， 从而不需借助外加的 传感器和执行器即可实现结构智能监控［２７］。
图 ３ 导电混凝土应力与电阻率关系曲线
Ｓｕｎ 等人［３０］发现混凝土也具有压电性， 当对混凝土 加 ４ｋＮ／ｓ 的力时， 混凝土会产生几个毫伏的电压， 并且 素混凝土的压电性优于含导电纤维的混凝土。他们认 为这一现象可用固液界面双层模型解释； 混凝土的孔 洞中含导电的电解液， 电解液与固体形成固液双层界 面； 一些电荷吸附在液体界面上， 而相反的电荷吸附在 固体界面上， 故而造成了混凝土的压电性。张开洪等人 ［３１］对钢 ／ 铜纤维的混凝土的介电特性进行了研究， 他们 发现钢 ／ 铜纤维的混凝土具有压电、热电以及电解质 的电 阻率变化特 性。吴思刚 等人［３２， ３３］认为导 电水泥混凝 土不仅可以用作结构材料， 还可以制成传感器， 对土木 工程结构进行实时、长期监测以及损伤评价。 ４ 结语
导电混凝土融化冰雪模型如图 ２ 所示， 当电源连 通后， 导电混凝土产生热量， 温度升高， 并通过混凝土 与冰雪的接触面向上传导。冰雪吸收热量后温度逐渐 升高， 当温度达到 ０℃时， 冰雪开始融化。
图 ２ 导电混凝土融化冰雪模型
Ｐｒｅ 等人［１５］在研究导电混凝土时，用碳质离子作为 导电混凝土的导电相， 结果使混凝土的电阻率降低到 导体的范围内。Ｋａｎｇ 等人［１６］用碳纤维作为混凝土导电 相， 碳纤维直径为 ０．０５ｍｍ～７．５ｍｍ， 长度 为 ２ｍｍ～ ４０ｍｍ， 这种导电混凝土主要被用来作为一般加热应 用。陈斌［１７， １８］也认为碳纤维混凝土有良好的导电性能， 为便于施工碳纤维长度一般为 ５ｍｍ。Ｗａｎｇ［１９］在石墨 导电混凝土的研究中，得出水泥含量在 ３０％～８０％、石 墨 ５％～４０％、骨料 ５％～５０％较为适宜（以上均为质量
在电磁屏蔽应用方面的研究： 研究出低成本并适 用于施工工程的导电相。
在机敏应用方面的研究： 发展一种智能化程度 高、成本低廉、体征参数稳定且易于测量， 能在特殊环 境下服役的机敏材料是大势所趋。
参考文献 ［１］Ｗｅｎ Ｓ． ，Ｃｈｕｎｇ Ｄ．Ｄ．Ｌ． Ｓｅｅｂｅｃｋ Ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎ－ ｆｏｒｃｅｄ Ｃｅｍｅｎｔ ［Ｊ］． Ｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， １９９９，２９（１２）： １９８９～１９９３． ［２］唐祖全， 李卓球， 侯作富等．导电混凝土路 面 材 料 的 性 能 分 析 及导电组分选择［Ｊ］．混凝土， ２００２， ４： ２８～３０． ［３］沈文忠， 张雄． 碳纤维功能混凝土研究现状及应用前景［Ｊ］． 新 型 建 筑 材 料 ，２００４，（８）：３０～３２． ［４］司 琼 ，董 发 勤 ．电 磁 屏 蔽 混 凝 土 的 发 展 现 状 ［Ｊ］．混 凝 土 ，２００５， （２）：８～１１． ［５］贾治勇．新时代的发展需要屏蔽混凝土 电 磁 防 护 混 凝 土 之 一 屏蔽混凝土［Ｍ］．中国建材科技， ２００１（０５）：４０～４１． ［６］Ｓａｔｏ， Ｈｉｒｏｓｈｉ；Ｄｏ ｍａｅ， Ｈｉｒｏｙｕｋｉ；Ｔａｋａｈａｓｈｉ， Ｍａｓａｈａｒｕ． Ｓａｔｏ， Ｈｉ－ ｒｏｓｈ （Ｍｕｓａｓｈｉ Ｉｎｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）；Ｄｏ ｍａｅ， Ｈｉｒｏｙｕｋｉ；Ｔａｋａｈａｓｈｉ， Ｍａｓａｈａｒｕ ． Ａｂｅ， Ｍｉｎｏｒｕ Ｓｏｕｒｃｅ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｊａｐａｎ Ｐａｒｔ ＩＩ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ２０００， ８３（ １１） ：１２～２１． ［７］张 跃．石 墨 一．ＭＤＦ 水 泥 基 复 合 材 料 屏 蔽 电 磁 波 性 能［Ｊ］材 料 研究学报，１９９５， ９（３）：２８４～２８８． ［８］司 琼，董 发 勤．掺 短 碳 纤 维 和 石 墨 混 凝 土 的 电 磁 屏 蔽 性 能［Ｊ］． 硅 酸 盐 学 报 ，２００５，（７）：９１７～９１９． ［９］Ｆｕ Ｘ．，Ｃｈｕｎｇ Ｄ．Ｄ．Ｌ．Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ－ｄｉａｍｅｔｅｒ－ｃａｒｂｏｎ－ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｃｅ－ ｍｅｎｔ－ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］． Ｃａｒｂｏｎ， １９９８，３６（４）：４５９～４６２． ［１０］Ｗｅｎ Ｓ．，Ｃｈｕｎｇ Ｄ．Ｄ．Ｌ．Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ Ｒｅａｃｈｉｎｇ ７０ｄＢ ｉｎ Ｓｔｅｅｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｃｅｍｅｎｔ＆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｃｏｍ－ ｐｏｓｉｔｅｓ，２００３：８２～８６． ［１１］Ｂａｃｈｅ， Ｈａｎｓ Ｈｅｎｒｉｋ；Ｅｒｉｋｓｅｎ， Ｋｎｕｄ Ｌｕｎｄ． Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｗｉｔｈ ｍｅｔａｌ ｏｒ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ａｄｄｉｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｐｐａｒａｔｕｓ ［Ｊ］． Ｉｎｔ．Ａｐｐｌ．， １９９２， ２９（５）： ６６． ［１２］Ｓｈｅｒｉｆ Ｙｅｈｉａ，Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｙ Ｔｕａｎ．Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｏｖｅｒ－ ｌａｙ ｆｏｒ Ｂｒｉｄｇｅ Ｄｅｃｋ Ｄｅｉｃｉｎｇ． ＡＣＩ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９９９，９６ （３）： ３８２～３９０． ［１３］洪 乃 丰．防 冰 盐 腐 蚀 与 钢 筋 混 凝 土 的 耐 久 性［Ｊ］．建 筑 技 术 ， ２０００， ３１（ ２） ： １０２～１０４． ［１４］洪 乃 丰．我 国 北 方 地 区 冬 季 撒 盐 的 利 害 分 析 与 对 策［Ｊ］．低 温 建筑技术， ２００２， ３： １２～１３． ［１５］Ｐｙｅ Ｇｌｅｎｄｏｎ， Ｒｏｂｅｒｔ Ｅ，Ａｒｎｏｔｔ ， Ｈｒｋ Ｒ，ｅｔ ａ１． Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｎ－ ｃｒｅｔｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ． Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｂｓｔｒａｃｔｓ ，２００１（５８） ：７６． ［１６］Ｋａｎｇ Ｓｅｏｋ Ｈｗａ， Ｋｏ Ｊａ Ｓｕｌ， Ｋｉｍ Ｊａｅ Ｊｕｎ ，ｅｔ ａｌ． Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃａｒｂｏｒｒ Ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｏｒ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ．ＣＡ，２００１ （５７） ：５８． ［１７］陈兵， 姚武， 吴科如．用交流阻抗法研 究 碳 纤 维 混 凝 土 导 电 性［Ｊ］．材料科学与工程， ２００１，１９（１）： ７６～７９． ［１８］陈兵， 姚武， 吴科如． 纤维增强混凝土导电性能的研究与应 用［Ｊ］．混凝土， ２００２，（ ７） ： ２３～２６． ［１９］Ｗａｎｇ Ｇａｎｇ． Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｇｒａｐｈｉｔｅ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ ． ＣＡ， ２００１（５８）：５７． ［２０］沈刚， 董发勤， 何登良．钢纤维石墨复相导电混凝土的研究
房材与应用
■材料性能研究与应用 ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ
导电混凝土的导电性能与应用研究
谭宏斌 马小玲
（陕西理工学院材料学院， 陕西 汉中 ７２３００３）Βιβλιοθήκη Baidu
摘要： 介绍了导电混凝土的导电机理， 以及该材料在电磁屏蔽、电热、机敏方面的原理。综述了该材料在电磁屏蔽、电
本文介绍了导电混凝土的研究现状和应用前景， 该材料在道路、桥梁、大 坝等大型复 杂基础设施 和人 居建筑物等方面展现出了良好而广阔的应用前景。但 作为一种新型的功能材料， 如果要投入实际工程， 还 有很多问题需要进一步研究。
在电磁屏蔽应用方面的研究： 将趋向屏蔽效果更 好， 屏蔽频率范围更宽， 材料具有高的机械性能、高的 抗周围电磁干扰能 力， 且屏蔽 效果不受天 气、频率的 限制； 材料成本要求低廉。
随着现代电子工业的高速发展和各类电子产品 的普遍使用， 移动通讯 、广播、雷达、计 算机等已成 为 人们日常生活中经常接触的事物。在这些东西给人们 带来方便和快捷的同时， 也使电磁波辐射成为一种新 的公害。电磁波辐射不仅影响人们的身体健康， 而且 对周围的电子设备造成严重干扰， 使它们的工作程序 发生紊乱， 产生错误动作； 还会造成的信息泄露使计
１
现在 １ＭＨｚ～１．８ＧＨｚ 的低频区域， 短碳纤维石墨混凝 土的最大电磁屏蔽效果达到 ８．５ｄＢ， 为设计高性能低 频电磁屏蔽混凝土提供了依据。在 １．５ＧＨｚ， 水泥砂浆 掺 入 直径 １μｍ、长度为 ３ｍｍ 的碳 纤维， 当碳纤 维 含 量为 １．５ ｖｏｌ％的时， 其电磁屏蔽效果达到 ４０ｄＢ［９］； 将直 径为 ８μｍ、长为 ６ｍｍ 的不锈钢 纤 维 掺 入 水 泥 砂 浆 中， 当不 锈钢纤维体 积含量为 ０．７２ｖｏｌ％时， 水泥砂浆 的屏蔽效果为 ７０ｄＢ［１０］。Ｂａｃｈｅ 等人［１１］用混有金属或合 金粉末生产磁性混凝土， 可用于加工电磁仪器的磁性 混凝土。 ２ 电热效应
唐 祖 全 等［３］研 究 了 导 电 混 凝 土 电 热 层 布 置 对 路 面 除冰效果的影响， 分析结果表明， 采用导电混凝土覆 层的形式布置电热层可取得较好的融雪化冰效果。侯 作富等人［２３］认为交流电比直流电有更好的升温效 果， 在工程上可以方便的使用交流电， 这对降低建造成本 有利。 ３ 机敏性
由图 ３ 可以看出， 当应力较小时（ＡＢ 段）， 电阻率
２
随应力的增大而减小， 这是由于混凝土中原有的裂纹 在应力作用下闭 合、导电相间 的势垒变窄 所致 ， 这是 混凝土的正常工作范围。在 ＢＣ 段混凝土处于一种动 态平衡， 随着应力的增大， 混凝土中开始出现损伤和 新的裂纹， 而原有的裂纹还在闭合之中。此阶段电阻 率基本上没有变化， 而混凝土材料已开始出现损伤。 随着应力的 继续增大， 曲 线 进 入 ＣＤ 段 ， 导 电 网 络 破 坏， 电阻迅速增高， 此阶段为混凝土的损伤和新的裂 拉 加 剧 阶 段［２９］。
分数）。沈刚等人 ［２０］在钢纤维石墨复相导电混凝土的研 究中发现， 石墨最佳质量分数在 １０％～１５％之间， 钢纤 维体积分数在 １．０％左右； 温度对混凝土电阻率有一定 的影响， 随着温度升高， 混凝土导电率也相应减小， 在 温度低于 １００℃时， 电阻率随温度的升高下降不明显。 Ｓｈｅｒｉｆ 等人［２１，２２］， 开展了利用钢纤维钢屑混凝土的导电 性， 除去桥梁路面冰雪的实验研究， 认为该导电混凝土 材料同时具有高的力学性能和好的导电性。
导电混凝土的导电性会随外加载荷的变化而发 生相应的变化， 也就是通过观测电阻的变化可以反映 混凝土受力状况［２８］。随着压力增大， 电阻的 变化存在 可逆感应区、平 衡区和剧增 区， 分别对 应于试块内 原 有 缺 陷 裂 纹 的 闭 合 张 开 、新 裂 纹 的 产 生 和 裂 纹 扩 展 破 坏 ３ 个阶段。因此， 可利用于材料对内部应力、应变和 损伤程度的自感， 开发成一种本征型传感器， 应用于 建筑结构的安全检测中。导电混凝土压应力与电阻率 的关系曲线示于图 ３。
世 界 各 国 融 化 道 路 冰 雪 ， 通 常 采 用 撒 盐（ＮａＣｌ， ＣａＣｌ２ ）的方法， 但 是， 撒盐 法 也 给 混 凝 土 路 面 结 构 和 环境带来了许多负面效应， 主要表现为钢筋钢纤维锈 蚀、路面剥蚀破坏和环境污染等问题［１２］。世界 上不少 国家因使用除冰盐， 已造成道路、桥梁的严重破坏， 目 前正在花费巨额费用进行修复， 其经济损失十分巨 大。例如， １９９８ 年，美国 ６０ 万座钢筋混凝土桥中，被列 入修复计划的费用是 ２０００ 亿美元，是当初建桥费用的 ４ 倍［１３］； 英 国 于 １９７２ 年 在 ２０㎞ 长 的 高 速 公 路 段 上 建 了 １１ 座桥， 因撒盐使混凝土开裂， １５ 年的修复费已是 建桥费的 １．６ 倍， 我国东北道路也因撒除冰盐造成路 面 严 重 破 坏 ［１４］。因 此，利 用 混 凝 土 加 热 除 去 路 面 冰 雪 的 研究， 成为路面除冰雪研究的一个热点。
Ｅｉ— ——入射电 磁波的幅 度 ； Ｒ１— ——电 磁 波 在 Ａ 面 的反射场的幅度； Ｒ２— ——电磁波在 Ｂ 面的反射场的幅 度：Ｔ— ——电磁波被屏蔽材料吸收和衰减而引起的电磁 波吸收损耗幅度； Ｅ０— ——电磁波穿透出屏蔽体的强度。
目前， 在电磁屏蔽混凝土的研究中， 通过在混凝 土中掺碳纤维研制出的预制板已成功应用在 ９ 层大 楼的屏蔽围护结构上 ， 主要用作 频率范围在 １０ＧＨｚ 以下的电磁信号的泄露和外部的电磁干扰［５］。Ｓａｔｏ 等 人［６］研 究 了 混 凝 土 墙 体 对 电 磁 波 的 反 射 和 传 递 进 行 控 制 。 张 跃 等 人［７］研 究 了 碳 纤 维 — 无 宏 观 缺 陷 水 泥 基 复 合材料的电磁屏蔽， 测得 在 ４００ＭＨｚ～１６０ＭＨｚ 范围 内，电磁屏蔽效果能为 １００ｄＢ～４００ｄＢ。司琼等人［８］对 短碳纤维石墨混凝土的电磁屏蔽性能进行了研究， 发
算机等仪器无信息安全保障。混凝土是一种用途很广 的建筑结构材料， 使混凝土具有电磁屏蔽性能， 成为 研究的热点。
电磁屏蔽的基本原理是［３， ４］： 采用低电阻的导电材 料， 并利用电磁波在屏蔽导体表面的反射和在导体内 部的吸收以及传输过程中的损耗而产生屏蔽作用， 通 常用屏蔽效果（Ｓｅ）表示。
图 １ 混凝土电磁屏蔽原理示意
热、机敏方面的研究现状和应用前景， 并展望其发展趋势。
关键词： 导电混凝土 电磁屏蔽 电热 机敏
中图分类号： ＴＵ５２８
文献标识码： Ａ
文章编号： １００７－２９１８（２００６）０４－０００１－０４
混凝土是以硅酸盐水泥为基体， 加入集料、水、外 加 剂 、掺 合 材 料 等 材 料 复 合 而 成 的 复 合 材 料 。 导 电 混 凝土是在混凝土中加入一定的导电相复合而成， 使混 凝土具有导电性能的一种新型复合材料。混凝土发展 历史已有 １００ 多年， 它已成为世界范围内应用最广、 用量最大的建筑材料。混凝土具有诸多重要优点， 特 别 是 其 具 有 很 充 分 的 改 造 性 、复 合 性 。 普 通 混 凝 土 既 不属于绝缘体也不属于良导体， 其电阻一般为 １０４Ω· ｍ～１０７Ω·ｍ［１］。在 混 凝 土 中 添 加 一 定 含 量 的 导 电 组 分 （一般为碳纤 维、碳细丝（直 径 ＜１μｍ）、不锈钢 纤维和 石墨）， 可改善其导电性能。当导电材料掺量低时， 导 电材料均匀地分散在基体材料中， 彼此相互隔离而不 搭接， 对导电贡献较小， 复合材料的电阻率主要由基 体材料的电阻率决定； 随掺量的增加， 导电材料间出 现搭接并形成局部的导电网络， 电流通过电子或空穴 在局部导电网络间并通过隧道效应跃过导电材料间 的基体阻隔而传导， 其电阻率较小； 当导电材料的掺 量增大到渗滤阀值时， 局部导电网络相互接触从而在 基体内形 成相互连 通的导 电 通 道［２］， 从 而 使 混 凝 土 的 导电性能大大提高。现就导电混凝土的研究现状和应 用综述如下。 １ 电磁屏蔽
混凝土已逐 渐向高强、高 性能、多功能 和智能 化 发展， 用它建造的混凝土结构也趋于大型化和复杂 化。然而混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作 用、疲劳效应 、腐蚀效应和 材料老化等 不利因素的 影 响， 结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减， 甚至 导 致 突 发 事 故［２４］。 如 何 保 证 混 凝 土 工 程 结 构 处 于 一 种 良好的工作状态， 是摆在工程界的重大技术问题［２５］。为 了有效地避免突发事故的发生， 延长结构的使用寿命， 必须对此类结构进行实时的“ 健康”监测， 并为及时进 行修复提供依据。现有的无损检测方法， 如声波检测、 Ｘ 射线等， 只能定性检测， 而不能定量、数据化处理， 更 主要的是不能实现实时监测 ［２４］。目前， 结构的安全监 测和控制主要是借助外加的传感器来实现的。这些器 件的引入增加了结构设计和制造工艺的复杂程度， 其 成 本 大 大 提 高［２６］。 如 果 所 用 混 凝 土 本 身 作 为 传 感 器 便 可能实行自我监控。混凝土通过复合某些导电物质成 分， 使得混凝土结构具有机敏性， 从而不需借助外加的 传感器和执行器即可实现结构智能监控［２７］。
图 ３ 导电混凝土应力与电阻率关系曲线
Ｓｕｎ 等人［３０］发现混凝土也具有压电性， 当对混凝土 加 ４ｋＮ／ｓ 的力时， 混凝土会产生几个毫伏的电压， 并且 素混凝土的压电性优于含导电纤维的混凝土。他们认 为这一现象可用固液界面双层模型解释； 混凝土的孔 洞中含导电的电解液， 电解液与固体形成固液双层界 面； 一些电荷吸附在液体界面上， 而相反的电荷吸附在 固体界面上， 故而造成了混凝土的压电性。张开洪等人 ［３１］对钢 ／ 铜纤维的混凝土的介电特性进行了研究， 他们 发现钢 ／ 铜纤维的混凝土具有压电、热电以及电解质 的电 阻率变化特 性。吴思刚 等人［３２， ３３］认为导 电水泥混凝 土不仅可以用作结构材料， 还可以制成传感器， 对土木 工程结构进行实时、长期监测以及损伤评价。 ４ 结语
导电混凝土融化冰雪模型如图 ２ 所示， 当电源连 通后， 导电混凝土产生热量， 温度升高， 并通过混凝土 与冰雪的接触面向上传导。冰雪吸收热量后温度逐渐 升高， 当温度达到 ０℃时， 冰雪开始融化。
图 ２ 导电混凝土融化冰雪模型
Ｐｒｅ 等人［１５］在研究导电混凝土时，用碳质离子作为 导电混凝土的导电相， 结果使混凝土的电阻率降低到 导体的范围内。Ｋａｎｇ 等人［１６］用碳纤维作为混凝土导电 相， 碳纤维直径为 ０．０５ｍｍ～７．５ｍｍ， 长度 为 ２ｍｍ～ ４０ｍｍ， 这种导电混凝土主要被用来作为一般加热应 用。陈斌［１７， １８］也认为碳纤维混凝土有良好的导电性能， 为便于施工碳纤维长度一般为 ５ｍｍ。Ｗａｎｇ［１９］在石墨 导电混凝土的研究中，得出水泥含量在 ３０％～８０％、石 墨 ５％～４０％、骨料 ５％～５０％较为适宜（以上均为质量
在电磁屏蔽应用方面的研究： 研究出低成本并适 用于施工工程的导电相。
在机敏应用方面的研究： 发展一种智能化程度 高、成本低廉、体征参数稳定且易于测量， 能在特殊环 境下服役的机敏材料是大势所趋。
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