电流及电压对钢纤维石墨导电混凝土电阻率的影响.pdf

0前言 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,危害行车安全。 机械除雪是一种传统的除雪方 式,需要大量的人力、物力及时间,且效果不佳,清 扫后仍会有一小层积雪1。 化学除冰法是目前常见 的除冰方法,多用于公路除冰,但此法会加剧冻融, 加速混凝土的剥蚀和钢筋的锈蚀,给混凝土结构的 耐久性带来很大威胁。 近年来,导电混凝土在路面 融雪除冰应用方面初露头角,由于它既是具备良好 力学性能的建筑材料,又是具备优异导电发热性能 的功能材料,且施工保养方便,同时又绿色环保,因 此,具有良好的应用前景2-4。 用于配制导电混凝土的导电介质一般有如下 几类：碳纤维、石墨、钢纤维、钢渣、碳质骨料、炭黑、 碳纳米管等。 相比其他材料,钢纤维具有较高的热 导电性,且能明显提高混凝土的强度。 一定掺量的 钢纤维添加到混凝土中,能够使混凝土从高阻抗水 泥复合材料变成导电性良好且力学性能优越的水 泥复合材料,也就是钢纤维导电混凝土。 Tuan 教授 和 Yehia 教授等人采用钢纤维导电混凝土铺设电热 桥面板,用于融雪除冰,取得了良好的效果5-8。 在利用导电混凝土融雪除冰的过程中,电阻率 是决定发热功率的直接因素。 因此,导电混凝土的 电阻率是当前的研究热点。 导电混凝土的导电机理 较为复杂,其导电方式包括溶液离子的迁徙、导电 粒子跃迁以及导体搭接形成通路等。 因此,其影响 因素众多。 电流类型是影响导电混凝土电阻率的因素之 一。 Oscar Galao9在-15和-5环境温度下对碳纤 维导电混凝土进行了试验,通过对比交流电与直流 电条件下的试验结果,发现电流类型对其电阻率没 有影响。 洪雷10采用交流电源和直流电源为导电混 电流及电压对钢纤维石墨导电混凝土 电阻率的影响 饶瑞 1,2,3,4,陈洋臣1,2,3,4,刘春晖5,王海红1,2,3,4,吕建根6 （1.工程结构抗风与结构安全国家国际科技合作示范基地,广州 510006;2.广州大学广东高校结构 安全与健康监测工程技术研究中心,510006;3.广州大学广州市结构安全与健康监测重点实验室, 510006;4.广州大学广东省工程结构抗风与健康监测工程技术研究开发中心,510006;5.佛山市顺德 区碧桂园物业发展有限公司,528312;6.仲恺农业工程学院城市建设学院,广州 510225） 摘要:制备了钢纤维石墨导电混凝土,进行了电流类型及电压大小对电阻率影响的相关试验。研究发现,交流 电源供电时,导电混凝土试件的电阻率小于直流电源供电时的电阻率,两者的差值随电压的增加而减小；无论是交 流电源还是直流电源供电（电压在 60V 以下）,试件电阻率均与电压成反比,两者呈二次抛物线关系,电阻率的变化 幅度随电压的增加而减小。 关键词:导电混凝土；钢纤维；电压；电流；电阻率 Abstract：The electric conductive concrete(ECC) was prepared, the influence of current type and voltage size on the resistivity was studied by related experiments. The results showed that the resistivity of ECC under AC power is smaller than that of ECC under DC power at the same voltage. The difference between two resistivity reduces as the increasing of voltage. No matter the power supply is AC or DC, the resistivity and the ratio of resistivity are both inversely proportional to voltage. Key words：Electric conductive concrete (ECC); Steel fiber; Voltage; Current; Resistivity 中图分类号:TU528.572文献标识码:A文章编号:1000-4637(2017)02-50-05 基金项目：中国博士后科学基金项目（2014M552179）;国家 自然科学基金项目 （51408143）; 广州市属高校科研项目 （1201431281）;工程结构抗风与结构安全国家国际合作基地 开放研究基金项目（B21521341）;广东省省级科技计划项目 （2016B050501004）;中国国家留学基金（201508440355）。 2017 年第 2 期混 凝 土 与 水 泥 制 品2017 No.2 2 月CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTSFebruary 50- 万方数据 凝土供电,对比电阻率测量结果,发现前者的测试 结果比后者略小。 侯作富11发现用交流电源供电测 得的碳纤维导电混凝土电阻率小于直流电源供电 的电阻率。 综上可知,电流类型对于导电混凝土电 阻率的影响尚未达成一致的结论,还需要进一步的 深入研究。 电压大小是影响导电混凝土电阻率的另一个 因素。 Sherif Yehia 7认为,随着电压的升高,可将导 电混凝土的导电性能分为线性、可控制、击穿三个 阶段。侯作富11认为,无论是交流电测试还是直流电 测试,随着电压的升高,碳纤维导电混凝土的电阻 率都会出现一定程度的下降。刘建国12发现,随着电 压的升高,电阻率呈逐渐减小的趋势,并认为这一 现象符合击穿电压的原理。 本文以钢纤维导电混凝土为研究对象,通过试 验研究电流类型和电压大小对电阻率的影响,并将 其与同类试验结果对比,以期进一步揭示电流类型 及电压大小对导电混凝土电阻率的影响规律,为合 理设计电热混凝土路面的供电系统奠定基础。 1原材料与试件的制备 1.1原材料 水泥：P O 42.5 级水泥,表观密度 3000kg/m3,3d 抗压强度 30.6MPa,初凝时间 135min。 砂：中砂,主要粒径范围为 0.250.5mm,其中 50%的砂粒径0.25mm。 石：碎石,粒径 1013mm,级配良好。 减水剂：PC-1030P 型聚羧酸类减水剂, 减水 率30%。 石墨： 粒径 24mm, 含碳量98%, 含水率 0.5%,属高纯度石墨。 钢纤维： 工程级, 长度 （301）mm, 等效直径 0.8mm,抗拉强度 600MPa。 1.2试件的制备 试件尺寸为 600mm300mm60mm, 如图 1 所 示。 电极板选择低碳钢, 尺寸为 550mm30mm 3mm,如图 2 所示,电极板中间预留三个孔洞,使试 件浇筑成型后电极板与混凝土连接更紧密;左侧小 孔用于引出电线,两个 9mm 圆孔用于浇筑导电混凝 土时固定电极板。 首先将水泥和砂在 HJW-60 型单卧轴强制式 混凝土搅拌机中干拌,拌合 1min 后,再加入聚羧酸 减水剂、石墨、石子,搅拌均匀后再加水,最后加入 钢纤维搅拌 2min。 将混合料注入 600mm300mm 60mm 木模板中, 在 HZJ-1 型混凝土振动台上振捣 1min,然后平放在环境温度 25,湿度 60%的混凝 土试验室内地板上,24h 后脱模。 将脱模后的试件放 入 SHBY-90B 型水泥标准养护箱中养护 28d, 养护 箱内环境条件设置为温度 20,湿度 100%,养护完 成后将试件的 6 个表面用环氧胶封闭。 2测量方法 混凝土电阻率是单位长度混凝土阻碍电流通 过能力的电学参数14。 关于混凝土导电机理以及通 电过程中的电热特性15,研究者提出了许多电学理 论的假说理论,主要有电阻理论、复合介质理论以 及构成因子理论等。 电阻率用式（1）进行计算： = RA L （1） 式中： R试件的电阻; A试件中两电极之间混凝土的横截面积; L试件中两电极之间的距离。 本文采用伏安法测定电阻,交流电测试系统如 图 3 所示,采用 220V 交流电压,通过自耦变压器调 压至 060V 之间的交流电压,然后通过伏安法测电 阻。 直流电测试系统如图 4 所示,采用直流变压器 DHF-305D 将 220V 交流电转换成 030V 之间的直 流电压,DHF-305D 能准确显示所调电压值,在电路 中加入一个电流表可测量电路中的电流值,然后根 图 1电极板布置示意图（单位：mm） 220 300 电极板 图 3交流电测电阻图 4直流电测电阻 图 2电极板细节图（单位：mm） 99 25 405070557055705065 550 饶瑞,陈洋臣,刘春晖,等电流及电压对钢纤维石墨导电混凝土电阻率的影响 51- 万方数据 据欧姆定律得到试件的电阻值。 3试验结果及分析 3.1电流类型对试件电阻率的影响 将三个试件按 A、B、C 编号,并按上述方法测量 电阻率。 分别采用交流和直流两种电源,5V、10V、 15V、20V、25V 和 30V 六种电压,测量时的环境温度 为 25。AC 代表交流电,DC 代表直流电。分别在交 流电和直流电条件下,对 A、B、C 三个试件的电阻率 求均值,并计算其标准差,所得平均值用 P表示。 图 5 为电阻率平均值 P分别在交流和直流供电情况下 的变化曲线。 图 6、图 7、图 8 为 A、B、C 三个试件分 别在交流、直流供电情况下的电阻率变化曲线,图 9 为 A、B、C 三个试件分别在交流、直流供电情况下的 电阻率变化率曲线, 图 9 中同时还列出了文献11 和文献12的相关数据。 由图 6、图 7 和图 8 可见,A 试件在交流电与直 流电条件下测得的电阻率差值最大, 在 5V 电压荷 载时,直流电所测的电阻率为 446.43 cm,交流条 件测得 205.86 cm,两者相差 240.57 cm。 A、B、C 三个试件从 5V 电压加载至 30V 电压时, 在交流电 条件下, 三者的电阻率减小量介于 6980 cm 之 间;在直流电条件下,三者电阻率减小量介于 207 273 cm 之间。 从图 5 可以看出, 在交流电和直流电情况下, 导电混凝土的电阻率测试结果存在明显差异。 直流 电条件下,随着电压的增加,电阻率下降趋势更为 明显。 结合图 5图 9 的分析表明：同等电压荷载 下,试件在交流电条件下所测得的电阻率均小于直 流电条件下所测得的电阻率;试件在交流电条件 下的电阻率变化率（电阻率变化曲线的斜率）小于 直流电条件下的电阻率变化率; 随着电压的增大, 两者的电阻率变化率曲线会逐渐靠近,但差值依然 存在;直流电条件下,试件电阻率的离散性较交 流电条件下的大。 对于同一导电混凝土试件,直流电所测得的电 阻率均大于交流电所测得的电阻率,原因主要有两 个：其一,交流电在通过试件时,其电子流动路线的 变化是无规律的,这与交流电流本身正弦函数变化 性质相关,电流通过试件时,在每一个周期里会采 取不同的路径7,这就减少了内部热点集中的可能。 而直流电流本身是单向的,直流电在通过试件时会 建立固定的电子流动路径,电流将沿着同一路径移 图 6试件 A 的电阻率变化曲线 51015202530 电压/V 图 5试件平均电阻率变化曲线 51015202530 电压/V DC-P AC-P 500 400 300 200 100 0 DC-A AC-A 600 500 400 300 200 100 0 图 7试件 B 的电阻率变化曲线 51015202530 电压/V DC-B AC-B 400 350 300 250 200 150 100 50 0 图 8试件 C 的电阻率变化曲线 51015202530 电压/V DC-C AC-C 400 350 300 250 200 150 100 50 0 2017 年第 2 期混凝土与水泥制品总第 250 期 52- 万方数据 102030405060 电压/V DC AC-文献11 动, 这就像是在导电混凝土内部创造了一个热点。 其二,所供电流为直流电时,因为电流本身的单向 性使得电子形成固定的移动路径,部分电子会累积 在电极一端而产生极化效应1,形成混凝土内部电 动势,直接增加了混凝土的阻抗,这也使得混凝土 的电阻率变大。 3.2电压对试件电阻率的影响 AC-P 与 DC-P 分别为 A、B、C 三个试件电阻率 在交流电和直流电情况下的均值。 从图 10 可以看 出,各条曲线均随着电压增大而表现出相同的下降 趋势。 笔者将三个试件电阻率变化曲线同文献11 和文献12的试验结果进行对比发现：在交流电源 供电情况下,本文的电阻率变化曲线与文献11和 文献12均表现出相同的变化趋势。 需要说明的是, 在电压的增加过程中,本文试验所测得试件的电阻 率变化范围与后两者的变化范围存在一定的差异, 文献12的电阻率大于本文试验所测得的电阻率, 其电阻率在 350500 cm 之间波动, 变化范围为 150 cm;文献11的电阻率则远远小于本文试验 所测得的电阻率, 其电阻率在 4045 cm 之间波 动,变化范围只有 5 cm,相对于本文试验结果而 言,其电阻率几乎不变。 本文试验结果表明：在交流电或者直流电的 情况下, 试件的电阻率均与电压呈负相关关系; 随着电压荷载的增加,各试件的电阻率变化趋势基 本保持一致,且随着电压的增大,电阻率下降趋势 逐渐变得平缓。 这是由以下原因引起的：电压的升 高, 使得电子由于具有更高能量而易于跃迁移动, 表现为试件电阻率的降低。 在直流电条件下,电压 的升高很大程度提高了混凝土内部的电子能量,直 流电单向性和极化效应对混凝土内部电子移动的 不利影响则相对变小了,所以,相比于交流电,直流 电电阻率的变化率更大。 随着电压的增大,交流电 与直流电所测得的电阻率的大小虽然存在差值,但 可以看到两条曲线逐渐接近的趋势,表明直流电造 成的“热点”及“极化”随电压的升高而弱化。 3.3与其他文献试验数据的对比分析 从图 9图 11 可以发现, 本文的试验结果与文 献12较为相似,而与文献11存在一定的差异。 根 据试验结果及文献11和文献12的相关试验数据, 拟合电阻率随电压的变化曲线, 获得两者的关系, 见式（2）： =a1U2+a2U+a3（2） 表 1 所列为不同试件在交流及直流电条件下 电阻率与电压变化关系的拟合参数。 由表 1 可见, 图 9电阻率变化率变化曲线 （b） 5101520253035 电压/V （a） DC-文献11 AC AC-A DC-B DC-A AC-C AC-B DC-CAC-文献12 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 -20 -15 -10 -5 0 5 0102030405060 电压/V 图 11直流电压条件下电阻率的变化曲线 0102030405060 电压/V 图 10交流电压条件下电阻率的变化曲线 DC-文献11 DC-A DC-B DC-C DC-P DC-文献12 DC-文献11 DC-A DC-B DC-C DC-P 600 550 500 450 400 350 250 200 150 100 50 0 60 55 50 45 40 35 600 500 400 300 200 100 0 52 50 48 46 44 42 40 饶瑞,陈洋臣,刘春晖,等电流及电压对钢纤维石墨导电混凝土电阻率的影响 53- 万方数据 各试件的 a1值相对较小,说明电阻率与电压可近似 用线性函数来表示。a2表示电阻率变化率,从表中可 见,本文试件与文献12试件的拟合参数 a2比较接 近,而与文献11的相去甚远。 对比本文与文献11 和12的试验细节（见表 2）发现,造成以上差异的原 因主要在于导电相材料。 文献11、本文、文献12分 别采用单相（碳纤维）、双相（钢纤维和石墨）及三相 （碳纤维、钢纤维和石墨）材料制备导电混凝土。 文 献11的试验结果表明,碳纤维导电混凝土的电阻 率对电流及电压的变化不敏感,因此,当文献12将 碳纤维作为第三导电相材料制备导电混凝土时,其 电阻率对电流、 电压的敏感度与双相导电混凝土 （钢纤维和石墨,即本文采用的导电混凝土）相比, 并无明显变化。a3可近似认为是试件的初始电阻,与 配合比、电极、温度等多种因素有关,因此,各试件 之间相差较大,该部分内容有待进一步深入研究。 4结论 （1）交流电源供电时,导电混凝土试件的电阻 率小于直流电源供电时的电阻率,两者的差值随电 压的增加而减小。 （2）无论是交流电源还是直流电源供电（电压 在 60V 以下）,试件的电阻率均与电压成反比,两者 呈二次抛物线关系,电阻率的变化幅度随电压的增 加而减小。 参考文献: 1 钱兴,赵若红,傅继阳.低电压下钢纤维石墨导电混凝土升 温性能研究J.混凝土与水泥制品,2013(6):37-39. 2 唐祖全,李卓球,徐东亮,等.碳纤维导电混凝土电热升降温 规律研究J.华中科技大学学报:城市科学版,2002(3):7-9. 3 唐祖全. 碳纤维机敏混凝土路面结构融雪化冰性能研究 D.武汉:武汉理工大学,2002. 4 侯作富,李卓球,王建军.碳纤维导电混凝土融雪化冰的实 验研究J.混凝土与水泥制品,2004(5):42-44. 5 Tuan C Y, Yehia S. Evaluation of electrically conductive concrete containing carbon products for deicing J.Materials Journal,2004,101(4):287-293. 6 Tuan C Y. Roca Spur Bridge: the implementation of an innovative deicing technology J.Journal of Cold Regions Engin eering,2008,22(1):1-15. 7 Sherif Yehia,Christopher Y Tuan,David Ferdon,et a1. Cond uctive Concrete Overlay for Bridge Deck Deicing:Mixture Prop ortioning,Optimization,and Properties.ACIJ. Materials Journal, 2000,97(2):172-18l. 8 Sherif Yehia,Christopher Y Tuan.Conductive Concrete Over lay for Bridge Deck Deicing J. ACI Materials Journal, 1999,96 (3)：382-390. 9 Galao O,Ba n L,Baeza F J,et al.Highly Conductive Carbon Fiber Reinforced Concrete for Icing Prevention and CuringJ. Materials, 2016,9(4):281. 10 洪雷.石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土智能性质研究D. 大连:大连理工大学,2007. 11 侯作富. 融雪化