吴 献，崔玉茜，回国臣，马依颖，张博文

(1.沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳 110168;2.沈阳有色冶金设计研究院，辽宁沈阳 110003)

导电混凝土是指由导电介质、凝胶材料、介电骨料和水等组分，按照一定配合比混合凝结而成的多相复合材料.导电混凝土具有良好的电性能和力学性能，以及对热和电良好的感知和转换能力，因而不仅被用作建筑材料，还广泛应用于电子、电工、电磁干扰屏蔽等很多领域［1-4］.电热效应是导电混凝土主要特性之一，也叫焦耳效应，是指在外加电源作用下混凝土放出热量的现象.利用此特性做成的导电发热混凝土，可用于室内采暖和路面融雪化冰［5-8］.鉴于目前相关学者对于单掺导电相的导电混凝土研究较多，本研究将导电相材料碳纤维和炭黑加入到混凝土中制成复相导电混凝土，观察并比较炭黑导电混凝土和炭黑碳纤维复相导电混凝土的导电性和电热性能.

1 炭黑导电混凝土

1.1 试块制备

制备的单掺炭黑的导电混凝土试块均为100 mm×100 mm×100 mm立方体.

原材料:炭黑、水泥(42.5级)、砂子、石子、水、硅粉.

制备方法:配比为m(砂)∶m(水泥+硅粉)m(石子)∶m(水)=1∶1∶2∶0.5;5组炭黑的质量分别为水泥和硅粉总质量的0%，1%，3%，5%，7%，每组制备3个试块;硅粉质量为水泥和硅粉总质量的15%.制备过程为人工搅拌，依次在铁板上投入水泥、炭黑、砂、硅粉，并搅拌均匀，再加入石子继续搅拌，然后加水搅拌，之后入模并插入不锈钢网状电极，最后振动成型.制作试块如图1所示.

图1 炭黑混凝土试块

1.2 电阻率

标准养护28 d龄期内，用多功能数字万用表记录不同养护龄期下炭黑导电混凝土试块的电阻率，如表1所示.电阻率与龄期关系见图2，3.

表1 不同养护龄期下炭黑导电混凝土电阻率 Ω·m

图2 龄期与炭黑质量分数为0，1%试块电阻率关系

图3 龄期与炭黑质量分数3%，5%，7%试块电阻率关系

由图2可知:随龄期延长，炭黑质量分数较低的试块电阻率逐渐增大，炭黑质量分数为1%的试块电阻率由2 731 Ω·m增到1.17×104Ω·m，电阻率变化幅度较大.

由图3可知:炭黑质量分数较高试块电阻率变化较平稳，特别是在后半段龄期内电阻率呈现比较平稳的趋势.炭黑质量分数3%试块的电阻率虽由21.87 Ω·m升至49.26 Ω·m，但龄期后半段的变化趋势较平稳.而炭黑质量分数为5%，7%的两组，电阻率随龄期变化基本平稳.可见，龄期对炭黑质量分数较高的混凝土试块影响较小，即导电性越好，其电阻率随龄期变化率越小.

综上，炭黑导电混凝土试块制成后，材料内部微观结构会不断发生变化.当炭黑质量分数较低时，试块内部主要依靠离子导电.然而随着水化反应的不断进行，微孔内的水分会随之减少，这会抑制离子移动的能力，降低其导电性.由于材料内部的水化反应所产生的水化产物也会把原本相邻或接触的炭黑粒子隔开，使其距离变大，导致隧道导电的能力降低.这两种形式导电能力的降低，必然导致试块电阻率随龄期延长呈现不断增大的趋势.

从微观看来，增加炭黑质量分数，可认为材料内部炭黑粒子间距不断减小.当间距足够小时，电子就能穿越势垒形成导电网络.在此理论基础上，稍微提高炭黑的质量分数就能使材料的电阻率显著降低，此时隧道效应占材料内部导电的主导作用.

当炭黑质量分数增加到一定量时，炭黑粒子间距更小，可认为炭黑粒子在混凝土内部已经形成一个完全相互连接的导通的导电网络.此时导电形式以电子导电为主，水化反应及水化物对其影响并不大，因此，质量分数较高的炭黑导电混凝土的电阻率，不会随龄期有太大的变化.

1.3 通电升温试验

试验在室内一般环境内进行，温度为22～23℃，湿度为42%～45%.电源采用HB-17型直流稳压电源.为减少热量损失，将电混凝土试件四周及底部包裹上40 mm厚保温苯板，并将混凝土试块串联在电路中，如图4所示.

图4 电热性能试验装置

将稳压直流电源电压调节至最高值30 V，接通电源.试件通电发热后，温度由黏贴在试块底部中心的热电偶感知，使用VC-6902C型数字温度表，每隔10 min记录一次试件温度，持续通电1 h.表2-4是对电阻率最小的一组炭黑导电混凝土试块(炭黑质量分数7%)的温度测试结果.

表2 试件1的电热温度

表3 试件2的电热温度

表4 试件3的电热温度

由表2-4可知，随通电时间延长，3个试块温度均不断升高，电流略为增大，电阻呈减小趋势，但幅度不大，电阻变化率分别为3.6%，4.3%，4.7%.3个试块在通电后均有不同程度的升温，其中电阻较小且电阻变化率也较小的试块1升温效果最好，1 h内温度提高了41℃.

综上可见，试件1升温幅度最大的原因是其电流最大，也就是发热功率最大.如果想获得更大发热功率以满足不同发热标准，可通过加大通电电压来增加发热功率.当然保持稳定发热功率也是很有必要的，当电压一定时，电阻变化率也需要保持在一个很小范围内，这样才能保证导电混凝土材料持续稳定地升温.

图5为炭黑导电混凝土试块温度与通电时间之间的关系.由图5可知，将试块通电升温后，3个试块温度随时间变化基本呈线性趋势，说明3个试块的升温速率都十分平稳，同时也说明试块发热功率稳定.

图5 温度与通电时间的关系

2 炭黑碳纤维复相导电混凝土

2.1 试块制备

原材料:炭黑、水泥(42.5级)、沙子、石子、水、硅粉、羧甲基纤维素钠、消泡剂(磷酸三丁酯).

制备方法:共制备了5组配比复相导电混凝土试块，炭黑质量分数均为1%，碳纤维质量分数分别为0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，每组3块.砂、水泥、石子、水、硅粉的配比同炭黑导电混凝土.先用加入一定比例分散剂和消泡剂的水溶液充分分散碳纤维，再将分散好的碳纤维溶液倒入已拌匀的炭黑、硅粉、水泥和沙混合物中进行人工搅拌，然后加入碎石搅匀，之后入模并插入电极，最后振动成型.

2.2 电阻率

标准养护28 d龄期内，用多功能数字万用表记录了不同养护龄期下炭黑碳纤维导电混凝土试块的电阻率(见表5).

表5 不同养护龄期下炭黑碳纤维导电混凝土电阻率 Ω·m

由表5可知，加入碳纤维后大大提高了导电混凝土的导电性.掺入0.5%碳纤维后，炭黑导电混凝土第28天电阻率由1.17×106Ω·cm降1 708.80 Ω·cm，电阻率降低达3个数量级.掺入2.0%碳纤维的炭黑导电混凝土，第28天电阻率仅为93.75 Ω·cm，低于100.00 Ω·cm，满足了侯作富［9］提出的用于融雪化冰的导电混凝土电阻率的要求.

加入碳纤维之所以会大大减小炭黑导电混凝土的电阻率，是因为与单掺法相比，复掺法既发挥了碳纤维导电纤维长径比较大的优点，又利用炭黑颗粒状短程导电特点，使导电相材料在混凝土内部更易形成导电网络，从而提高导电混凝土导电性.

图6为龄期与炭黑碳纤维导电混凝土试块电阻率的关系.

图6 龄期与试块电阻率的关系

由图6可知，随着碳纤维质量分数增加炭黑碳纤维导电混凝土试块电阻率逐渐减小，且电阻率随龄期变化也越来越稳定.碳纤维质量分数为0.5%和1.0%的试块电阻率前半段龄期变化较大，但后半段趋于稳定.碳纤维质量分数为1.5%和2.0%的试块电阻率在整个龄期内变化较小，趋势平稳.以上研究结果同炭黑导电混凝土试块电阻率研究结果相同，对于碳纤维质量分数较高的试块电阻率较小，且随龄期变化也较平稳.

由前述可知，当炭黑质量分数较少时，材料内部主要的导电形式是离子导电和隧道效应形式导电.离子导电需要材料内部孔隙内的水分作为载体，随着材料内部水化反应的进行，离子导电的能力将逐渐减弱.当少量碳纤维的掺入后，材料内部的导电结构发生变化.由于碳纤维形态是长径条状，有利于接近分散在材料内部的炭黑颗粒.此时材料内部发生的隧道效应可能是发生在炭黑颗粒之间、炭黑颗粒与碳纤维间或碳纤维之间，无论是哪种都会增强试块导电性.这就解释了碳纤维质量分数较低的组分电阻率在龄期前半段呈现下降趋势的现象.随着材料内部水化反应不断进行，孔隙水将会不断被消耗，材料内部结构会更加稳定，所以龄期后半段电阻率保持较稳定状态.

当掺入碳纤维达到一定量时，材料内部炭黑颗粒与碳纤维会搭接成联通的导电网络，使试块导电性大大提高，此时材料内部水化反应对其影响微乎其微，所以整个龄期内其电阻率变化并不明显.

2.3 电热升温试验

由于电阻过大导致发热功率减小，升温效果不明显，所以电热升温试验选用了电阻较小、电阻稳定性较好的一组试块(炭黑质量分数1%，碳纤维质量分数1%)进行试验.

试块电极两侧通30 V直流电压，通电10 min，电流由0.96 A降至0.19 A，说明极化效应严重，故将电压调低至25 V进行通电升温试验.结果见表6.

表6 电热升温数据

碳纤维炭黑导电混凝土中，除了电子导电外，还含有离子传导方式.离子迁移和贮存导致极化效应.在外加电压下，阴离子向正极集中，阳离子向负极集中，最后以薄层形式沉积在电极周围，而这一薄层就是反电动势产生的根本原因，使测到的电流小于实际值.由于离子在电极的积累是逐渐增加的，因此随时间延长，电流将逐渐减小，导致测得的电阻逐渐增大.由表6可知，随通电时间延长，试块温度逐渐升高，电流逐渐减小，即试块电阻增大，且电阻变化率较大，达到24.5%.这表明25 V电压下，极化效应对于这组试块还是有一定的影响.

2.4 不同电压下的试件升温情况

考虑到过大电压会使试块电阻产生较大变化，致使发热功率不稳定，影响试块发热效果，所以将实验仪器调至较低电压，试块通电1 h，试验数据见表7.其中，电阻变化率为试块电阻与试块初始电阻的差除以试块初始电阻;平均发热功率为电流平均值乘以电压.

表7 不同外加电压下炭黑碳纤维复相导电混凝土试块的电阻及温度变化

由表7可知，随电压降低，试块的平均发热功率也随之减小，电压为10.0 V时，平均发热功率仅为4.6 W，导致升温效果并不明显，1 h内仅升温10℃.虽然降低电压削弱了试块升温效果，但减小了极化效应对电阻的影响.当电压降至20.1 V时，电阻变化率为4.10%，电阻变化较小.电压降至15.1 V时，电阻变化率仅为2.85%，电阻只增大了0.59 Ω，电阻稳定性较好.当电压再降低至10.0 V时，电流和电阻均无变化，说明当电压足够低时，可基本消除极化效应对试块的影响.

图7为不同电压下试块温度随时间变化关系.由图7可知，试块在直流电压下试块的温度同时间基本呈线性关系，说明温度升高速率比较稳定.其中，在25.0 V电压下，温度升高速率最为平稳.

图8为炭黑碳纤维复相导电混凝土试块电阻变化率与通电电压的关系.由图8可知，试块通电电压从10 V升至20 V过程中，电阻变化率变化不大，从0增至4.10%，说明电压较低时，电阻变化率较小;电压从20 V增至25 V过程中，电阻变化率从4.10%增至24.19%，电压增加率较大，说明极化影响较大.

图7 不同电压下试块温度与通电时间关系

图8 试块电阻变化率与通电电压的关系

图9为试块温升与通电电压的关系.温升表示试块通电60 min时的温度减去通电前试块的温度.图9表明:电压较低时，试块温度上升幅度差别较大;电压较高时，温度上升幅度差别较小，几乎持平.

图9 试块温升与通电电压的关系

图10为试块平均发热功率与通电电压的关系.由图10可知，平均发热功率与通电电压几乎成正比增长，不同电压下，通电中电流均较为稳定.

图10 试块平均发热功率与通电电压的关系

3 结论

1)无论是对于炭黑导电混凝土还是炭黑碳纤维导电混凝土，电阻率较低试块的电阻随龄期变化较小，电阻率稳定性较好.

2)向炭黑导电混凝土中掺入碳纤维可大幅度减小导电混凝土的电阻率.掺入0.5%碳纤维后，试块第28天电阻率由1.17×106Ω·cm降到1 708.80 Ω·cm.碳纤维质量分数2.0%炭黑碳纤维复相导电混凝土，第28天电阻率仅为93.75 Ω·cm，小于100.00 Ω·cm，满足侯作富［9］提出的用于融雪化冰的导电混凝土电阻率的要求.

3)炭黑导电混凝土试块通电升温中，电阻随时间延长略微减小，但变化不大.发热过程中电功率较稳定，发热效果良好.升温试验中，升温效果最好的一组在1 h内升高温度达41℃.

4)炭黑碳纤维复相导电混凝土试块在通电升温中，对较高电压表现出明显的极化效应，电阻增大明显.降低电压可减小极化效应对试块电阻的影响.当外加电压低于20 V时，电阻率变化较小，发热功率较稳定.电压为10 V时，电阻几乎不发生变化，说明当电压足够低时，可基本消除极化效应对炭黑碳纤维复相导电混凝土电阻率的影响.

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