摘要：本文通过结合国内外学者对导电混凝土的研究，介绍了导电混凝土的概念、特点、常用于制备导电混凝土的导电材料、导电混凝土的研究现状以及导电混凝土的应用，总结了导电混凝土的发展趋势。
关键词：导电混凝土；导电材料；导电机理；电阻率
引言
导电混凝土（Electrically conductive concrete，简称ECC）是加拿大国家委员会开发的一项技术专利。是由胶凝材料和导电材料（如碳纤维、纳米炭黑、钢纤维等）以及水组成的一种多功能的智能混凝土材料。将导电材料加入到混凝土中能有效地使混凝土的电阻率降低3-4个数量级，使其具有良好的导电性能。此外，导电混凝土好具有耐久性好、抗弯和抗冲击性能优异和自监测等特点。因此被应用于融雪除冰、电磁屏蔽、阴极保护和结构健康监测等领域。
1 导电混凝土的导电机理
导电混凝土具有较好的导电性能主要依赖于导电材料，当导电材料在混凝土基体中均匀分散，相互搭接时，电子通过导电材料之间进行电流传输。此外，混凝土基体中存在的离子可以通过自由水进行电流传输。
2 导电材料
具有导电性能的导电材料种类众多，如碳系导电材料、金属系导电材料和复合型导电材料等，但并非所有的导电材料都适用于制备导电混凝土。目前，常用于制备导电混凝土的导电材料有碳纤维、石墨粉、纳米炭黑、钢纤维等。
2.1 碳纤维
碳纤维属于碳系导电材料，是一种具有高强度、高模量、密度小，化学性质稳定且良好导电性的新型纤维材料。在水泥基材料中加入碳纤维制备导电混凝土不仅能有效提高其抗折强度及抗冲击韧性，且使混凝土具有良好的导电性能，因此，碳纤维受到国内外导电混凝土研究者的青睐。
碳纤维导电混凝土的研究始于1992年，之后大量关于碳纤维导电混凝土的研究不断出现。Hou等人[1]通过对碳纤维导电混凝土的导电性能进行研究，得出掺加体积为0.58%的碳纤维能使导电混凝土具有良好的导电性能和优越的力学性能。沈刚等人[2]对碳纤维混凝土的研究表明，随着碳纤维掺量的增加，导电混凝土的导电性能越来越好，当碳纤维掺量为1.0%时，达到渗滤阈值，之后碳纤维掺量的增加并不能明显改善导电混凝土的导电性能；同样，碳纤维掺量达到1.0%后，碳纤维导电混凝土的抗压强度下降。
掺加碳纤维虽然能有效改善混凝土的导电性能，但也存在一些问题：碳纤维掺量大时难于在基体中分散均匀，进而影响导电混凝土的导电性能和力学性能等。对此，不少学者对碳纤维的分散性问题进行了研究。美国D.D.L.Chung教授[3]最早采用甲基纤维素作为分散剂对纤维分散进行改善，得出通过添加甲基纤维素能有效增强碳纤维的分散性。也有研究者[4]通过加入一些含碳或金属的材料，如高碳含量的粉煤灰、钢渣粉和硅灰等，用作水泥基材料的导电组分，以减少碳纤维的掺量，进而避免碳纤维分散不均匀的问题。
2.2 石墨粉
石墨粉质地柔软，易成型，化学性质不活泼，与酸、碱等不易反应，耐腐蚀，具有良好的导电性能。秦志桂等人[5]将石墨粉加入到水泥基材料中制备石墨导电混凝土，发现只有石墨粉达到一定掺量时，导电混凝土才具有较好的导电性能，但随着石墨粉掺量的增加，导电混凝土的抗压强度急剧下降。
2.3 纳米炭黑
碳纳米管是一种具有特殊结构的一维纳米材料，密度小，重量轻，但却具备超强力学性能，高的机敏性和良好的导电性能等，被广泛应用于多个领域。范杰等人[6]将纳米炭黑加入到水泥砂浆中，并对其导电性能和力学性能进行研究，研究表明纳米炭黑的加入能有效提高混凝土的导电性能和抗压、抗折强度。
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2.4 钢纤维
钢纤维是指以切断细钢丝法、冷轧带钢剪切、钢锭铣削或钢水快速冷凝法制成长径比为40-80的纤维。在混凝土中掺加钢纤维不仅可以提高导电混凝土的导电性能，而且极大的提高了混泥土的抗拉强度、抗弯强度、韧性和抗冲击性能。但只有钢纤维掺量较多时，导电混凝土的导电性能才能得到较好的改善，且随着时间的增长，钢纤维会出现锈蚀，钢纤维与基体间的黏结出现问题，导电混凝土电阻率会逐渐增大，导电性能大幅度降低。
白应华等人[7]通过对钢纤维导电混凝土的研究表明随着钢纤维掺量的增加，混凝土电阻率逐渐降低；掺加钢纤维能够有效提高混凝土的力学性能，尤其是抗弯拉强度。
3 导电混凝土的应用
3.1 融雪除冰
在冬季，道路结冰积雪严重影响了人们的正常生活，通常通过人工铲雪除冰或是撒盐等方法进行融雪除冰，需要消耗大量的人力和物力。将导电混凝土应用到道路的融雪除冰中，不仅能解决冬季交通出行难的问题，还节能环保。唐祖全等人[8]将碳纤维掺加到混凝土中制备出碳纤维导电混凝土并进行了除冰实验，实验得出碳纤维导电混凝土除了具有优良的导电性能外，还具有良好的电热效应，通电后能有效的清除路面积雪。
3.2 结构健康监测
导电混凝土除了具有较好的导电性能外，还具有自身的应变、应力、裂缝或损伤的自监测特性，当导电混凝土受到外部静态或动态荷载时，混凝土内部的导电网络发生变化，导致电阻率发生变化，也称为压电性能。1993年美国纽约大学的D.D.L Chung教授第一次提出碳纤维机敏混泥土的概念，得出碳纤维混凝土可以实现对结构的安全监测的结论。他认为碳纤维的存在，能够把裂缝（浇筑后存在的原始裂缝）两边链接起来，当碳纤维混凝土受压时，裂缝闭合，碳纤维插入，电阻减小。Shi将碳纤维混凝土在应用中进行了尝试，将其应用到交通称重的监测中。
3.3 电磁屏蔽
在电子信息的时代，电磁辐射已经成为了一种新的污染源，电磁辐射不仅会危害到人的身体健康，还会造成信息的泄露或对其他电子设备的干扰，因此，不少学者对电磁屏蔽展开了研究。而具有良好导电性能和力学性能等的导电混凝土也被应用到了电磁屏蔽领域。吕楠等人[9]通过测试碳纤维导电混凝土的电磁屏蔽性能，得出碳纤维导电混凝土具有良好的电磁屏蔽性能，且随着碳纤维掺量的增加，电磁屏蔽的效能越好。
4结语
从导电混凝土被提出至今，国内外大量的学者对其进行了各种实验，并得出许多明确的让人认可的结论。导电混凝土在研究中不断被优化，导电性能、力学性能等得到一次又一次的提升，并开始逐渐应用到融雪除冰等实际工程中。但导电混凝土还存在一些问题，如导电材料的分散性问题仍不能很好的解决，不能同时具备良好的导电性能和其他性能等。因此，我们仍需要对导电混凝土进行更深一步的研究，为导电混凝土广泛应用到实际工程中奠定基础。
参考文献:
[1] 沈刚, 董发勤, 碳纤维导电混凝土的性能研究, 公路. (12) (2004) 178-182.
[2] 秦志桂, 王勇, 毛仙鹤等人, 石墨导电混凝土的制备及在接地工程中的应用, 新型建筑材料. 36 (11) (2009) 46-48.
[3] 范杰, 李庚英, 纳米炭黑改性水泥砂浆的导电性与机敏性, 新型建筑材料. 44 (3) (2017) 106-109.
[4] 白应华, 涂锐, 陈伟, 整体式钢纤维导电砼力学及导电性能研究, 湖北工业大学学报. (1) (2018) 79-82.
[5] 唐祖全, 李卓球, 钱觉时, 碳纤维导电混凝土在路面除冰雪中的应用研究, 建筑材料学报. 7 (2) (2004) 215-220.
[6] 吕楠, 康青, 郭华雨等人, 短切碳纤维混凝土电磁屏蔽规律的实验研究, 后勤工程学院学报. 22 (2) (2006) 15-18.
论文作者:邓丽思
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/15
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