三相复合导电混凝土用于道路及桥面融雪化冰的研究

01/研究背景

冬季路面的积雪结冰对道路通行能力和行车安全都会产生非常不利的影响。路面表层的结冰导致路面的抗滑性能降低，轮胎与路面的摩擦系数减小，不能有效地保障行车的安全，据不完全统计，冬季10 - 15%的交通事故与道路冰雪有关。

目前用于道路及桥面融雪化冰的传统方式主要有人工机械清除和撒布融雪剂。冬季道路撒布融雪剂（道路盐、醋酸钾等）会造成钢筋的锈蚀、土地盐碱化、路面剥蚀破坏以及环境污染等问题。机械除冰通常是配合融雪剂除冰，由于冰层和路面之间的粘结力很大，路面或桥面表层处的结冰往往难以彻底清除，在机械破除表层的过程中也会对路面造成一定的破坏，同时也耗费大量的人力、物力和财力。为此，世界各国相关交通部门进行了积极探索，研究出许多抑制、控制或消除冰雪的技术和方法，诸如太阳能蓄热、地热管法、电缆加热、热流体、热蒸汽等，其中就包括近年来广泛开展的导电混凝土路面融雪化冰技术的试验研究。

导电混凝土是在道路表面铺筑一定厚度的添加导电性材料的混凝土，使电能转化为热能，将道路表面加热到0摄氏度以上，达到熔化冰雪的目的。

导电混凝土融雪除冰技术是一种比较新颖的冰雪清楚方法，具有热稳定性好、对环境无污染、操作控制方便、运行费用低等优势，具有非常好的应用前景。

本文研究了复合导电混凝土用于道路和桥面融雪化冰技术。复合导电混凝土是指采用两种以上的导电颗粒（石墨、炭黑）导电纤维（如钢纤维、碳纤维）和导电骨料（如钢渣、钢屑），添加到水泥混凝土中形成具有低电阻率的导电混凝土。在对掺加钢纤维、碳纤维以及钢纤维-石墨等导电材料的导电混凝土的导电性能试验研究的基础上，提出了钢纤维-石墨-碳纤维三相复合导电混凝土。通过对其导电性能和抗压强度的试验分析，以满足电阻率和抗压轻度为目标，确定了三相复合导电混凝土的配比及制备工艺。

02/试验材料与测试设备

（1）试验原材料

     水泥：42.5普通硅酸盐水泥

     粗集料：碎石，考虑到碎石粒径越大，越容易阻断导电通道，而且在拌和过程中越容易磨断碳纤维，降低水泥混凝土的导电性，故采用最大公称直径16mm；

     细集料：中砂；

     高效减水剂：可减水20%，掺量为水泥质量的1%；

    分散剂：羟丙基甲基纤维素，掺量为水泥质量的0.3%；

     消泡剂：磷酸三丁酯，掺量为水泥质量的0.015%；

     阻锈剂：防止钢纤维生锈，掺量为水泥质量的1%。 

（2）测试设备

     接触调压器：额定容量1kw，提供50HZ可改变的交流电压；

     交流稳压稳流电源：提供稳定的交流电压或电流；

     冰柜：用于冷冻试件及提供负温恒温条件；

     数字万用表：用于电压、电流及电阻测试；

     红外测温仪：用于测量混凝土表面温度；

     电液式压力试验机：用于抗压强度试验；

     抗折抗压试验机：用于抗弯拉强度试验；

     其他仪器：水泥混凝土搅拌机、全自动控温控湿标准养护室、电子秤等；

03/导电混凝土电极的选择与测试

本文采用两电极法进行电阻率的测试，采用不锈钢丝网做电极，电极网孔为边长2.5cm的正方形，以便于混凝土成型过程中粗集料的通过。电极在试件成型时平行埋入导电混凝中，电极与试模边缘距离15~20mm，电极有2.5cm的长度伸出试件表面，便于电阻率的测量。

图1 电极布设示意图

04/导电混凝土的导电性能

4.1 碳纤维导电混凝土

采用羟丙基甲基纤维素作为分散剂，掺量为水泥掺量的0.3%，掺量太少不足以均匀分散碳纤维，掺量过多容易造成水泥混凝土发黏。通过试验发现：碳纤维导电混凝土的电阻率与碳纤维的掺量有很大关系，分别测定了不同掺量下的碳纤维导电混凝土的电阻率，试验配比及测试结果分别如表1和图2所示：

表1 碳纤维导电混凝土的配合比

图2 碳纤维导电混凝土的电阻率

由上图可知：碳纤维的渗滤阈值出现在0.8%-1.0%范围内或以后。当碳纤维掺量小于其渗滤阈值时，电阻率随碳纤维掺量的增加而逐渐减小且趋于稳定。碳纤维体积分数为0.4%比较合适。

4.2 钢纤维导电混凝土

钢纤维作为导电材料，固然能增强混凝土的强度，但钢纤维掺加到混凝土之后，随着钢纤维的锈蚀，电阻率随时间成倍的增长。另外，钢纤维的掺量过大，不容易拌合，而且还会增加造价；掺量不足，钢纤维在混凝土里不能形成导电通道，起不到导电发热作用。所以本研究就钢纤维体积掺量1%进行了钢纤维导电混凝土的研究。试验测得钢纤维混凝土的电阻率如图3所示：

图3 钢纤维导电混凝土的电阻率

结果表明：在56天的养护龄期内，混凝土的电阻率由2400升高到6700左右，通过观察混凝土试件的内部，近两个月的养护，钢纤维并没有出现锈蚀，但钢纤维表面的氧化膜阻碍了钢纤维之间的完全接触，影响电阻率的测试，并且钢纤维在碱性水泥以及环境作用下，终会发生腐蚀，所以钢纤维不建议作为单独的导电材料使用。

4.3 钢纤维石墨导电混凝土

石墨作为导电材料成型的混凝土最大的缺陷就是抗压强度太低，钢纤维的导电性能不如石墨，但加入一定量的钢纤维后成型的钢纤维石墨混凝土，其导电性要大于同等含量的石墨导电混凝土，且其强度有了明显的提高。本部分试验先研究了石墨粒径大小对电阻率和强度的影响：分别采用200目、400目和600目的石墨，质量掺量为4%，同时加入1%的钢纤维，不同龄期的电阻率测试结果如图4所示：

图4 石墨粒径对电阻率的影响

 由上图可知：200目石墨的电阻率几乎是400目和600目石墨的一倍。并且200目石墨测试的抗压强度为34.1MPa，也几乎是后两者的一倍，综合考虑导电性能和抗压强度，后续研究石墨掺量对电阻率影响的试验选用200目的石墨。

第二部分试验研究石墨掺量对电阻率与强度的影响：分别采用掺量为2%、4%、6%和8%的200目石墨，同时加入体积分数为1%的钢纤维，不同龄期下的电阻率和强度测试结果如图5和表2所示：

图5 石墨掺量对电阻率的影响

表2 石墨掺量对强度的影响

综合分析可知：钢纤维石墨导电混凝土的石墨掺量在8%以内，电阻率随石墨掺量的增加而减小，但28天的电阻率为1500，满足不了路用导电性能的要求。

05/三相复合导电混凝土的性能研究

 综合以上研究内容，分析碳纤维导电混凝土、钢纤维导电混凝土以及钢纤维石墨导电混凝土的不足，提出了利用三相复合导电混凝土用于道路及桥面融雪化冰。

   三相导电混凝土的配比如表3所示，不同龄期下的电阻率和强度测试结果如图6和表4所示：

表3 三相复合导电混凝土的配合比设计

图6 三相复合导电混凝土的电阻率

表4 三相复合导电混凝土的强度

从电阻率的变化趋势来看，42%的砂率下，混凝土的28天的电阻率基本都在500以上，纤维的掺入，容易引入孔隙，增大混凝土的孔隙率，阻断了导电通路，导致电阻率的升高。水泥砂浆对混凝土的和易性有利，而且砂浆能减少混凝土的麻面现象，故在接下来的试验研究电阻率与砂率的关系：将42%的砂率提高到44%和46%，水灰比为0.44，碳纤维、钢纤维和石墨的掺量分别采用0.3%、1%和4%，试验测试的电阻变化率如图7所示：

图7 砂率对电阻率的影响

由上图可知：44%砂率下的电阻率测试结果较好。结合强度试验结果可确定的优选方案为钢纤维、碳纤维和石墨的掺量分别为0.8%、0.4%和3%。

06/三相复合导电混凝土的加热试验

试验方法：

三相复合导电混凝土试件用绝缘材料（聚苯乙烯泡沫塑料）包裹。在加热试验期间测量上表面的温度。试样放置在冰箱5小时直至达到要求温度。电源接通后，由于导电材料具有电阻而产生一定热量。加热试验中分别采用两种不同电压。混凝土试样的表面温度用红外测温仪测量（每30分钟测量一次），测量过程中：冷冻门只需要稍微打开以减少对试样温度的影响。

试验结果：

27V和44V的交流功率下的加热试验结果见表5。27V下：2.5小时后，导电混凝土的温度上升到8.7 C，试样的表面温度的增加率约为每30分钟1.5 C；44V下：2小时后导电混凝土的温度上升到21.8 C，表面温度的增加速率为每30分钟5.5 C。

表5 加热试验结果

如图8所示：整个测试过程中，电流随时间的推移而增加。这一观察结果表明：随着输入功率的增加，电阻率降低。这是由于：纤维（颗粒）形成的导电网络彼此重叠，碳纤维、石墨粉和钢纤维在三相复合材料中的电子（离子传导和隧道效应）相互接触。试验开始时温度低，电子传导弱，电流小。随着试样温度的升高，电子变得活跃，发生离子传导和隧道效应，从而增强了电子的传导。

图8 电流和功率密度随时间的变化

综上可知：低电阻率和高功率密度决定了采暖效果。基于三相复合导电混凝土不同电压下的热效应，得出：采用三相复合导电混凝土进行路面除冰是可行的。

总结

（1）碳纤维混凝土的导电性不仅与碳纤维的用量有关，还取决于碳纤维的均匀分散性。根据纤维分散剂的扩散均匀度，确定碳纤维掺量的渗滤阈值。试验结果表明：碳纤维的体积分数的最佳用量约为0.4%；

（2）钢纤维的腐蚀可以增加电阻率，石墨与水泥浆的粘结性差，严重影响混凝土的强度。石墨颗粒的大小对电阻率有显著影响。试验结果表明最佳掺量为：钢纤维的体积分数为1%，石墨掺量控制在6%以内，粒度为200目；

（3）低砂率会导致混凝土中空隙形成，从而影响导电性能。适当地提高砂率可以解决此问题。根据试验结果证明最适宜砂率为0.44；

（4）提出一种含钢纤维、碳纤维和石墨的三相复合导电混凝土。最佳的配合比：钢纤维体积分数为1%，碳纤维0.4%，石墨的掺量为4%；

（5）使用三相复合导电混凝土进行加热实验。实验结果表明混凝土的电阻率随温度升高而降低；

（6）温度测试证实：三相复合导电混凝土可以提供低的电阻率和高的功率密度。因此，三相复合导电混凝土可以用于路面融雪化冰。