导电混凝土材料电阻系数的研究和分析

论文

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湘潭大学校长办湖南湘潭引惠州学院土木系广东惠州刃

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湘潭大学建筑工程系湖南湘潭引随时间变化的客观规律可用广义吴应东方程精

摘要」作者研究表明睁电混凝土电气加热蓄热冷却过程中已度,、

确描述和控制在冬季导电握凝土堵面地面及水泥棍凝土路面在通电加热或触雪化冰过程中的热工计算也可用广义吴震东方程精确地描述但需要考虑,

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的冰吸热后转化为。℃的水所箱的溶解热基于这一原理建立

导电握扭土触

刃化冰新的热力学徽分方程及一植套梢确的理沦公式其中电功率

的计算与导电混凝土材料的电阻系数户密切相

关在卜述的块础卜对导电混凝土材料电阻系数关锐

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词广义吴震东方程导电滋凝土电阻系数电加热法跳冰化雪热工计算

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电极加热法是利用钢筋做电极和使用交流电流通过混凝土所产生的热量来养护混凝土这在严冬 .季节可保证混凝土连续施工电热养护是因为新浇混凝土在凝结硬化过程初期水泥浆中含有大 t的电解质浓液导电能力强电阻系数较小电一热效应转化很快从而使混凝土快速升温但随着混凝土硬,,,

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化过程的延续混凝土内的电解质浓液越来越少导电能力越来越弱电阻系数则越来越大当混凝土完 . O全硬化其导电能力~ o;电阻系数 p~ a电一热效应基本终止这时混凝土属于不良导体即绝缘体干 . 1 5。 0燥混凝土的导电系数约为 1 n潮湿混凝土的导电系数约为 1护 n m潮湿混凝土的导电系数减,,,· c

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少这么多是因为潮湿混凝土毛细孔中的游离水并非纯水而是含有盐类的电解质浓液从而降低电阻系 . .数提高电流的传导这就启发我们若能在混凝土内掺人一些导电材料即使混凝土硬化后混凝土通电,

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一收稿日期:2加2一 O 2 .‘ t琢目:囚家自然科学基金资助项目 ( 9, 8晚);湘潭大学科.研起动项目(x K Q D 5 8 O J Z .:作,简介:李树承 ( .弘3一 )男吉林长春人教授;博 l生导师,,

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论文

第 3期,,

邓寿昌等

导电混凝土材料电阻系数的研究和分析、、

仍能发热温度缓慢升高这不仅使得混凝土在电磁干扰屏蔽防静电钢筋阴极保护等方面发挥重要作用还能在寒冷的冬天用于室内混凝土墙面地面的采暖室外混凝土路面融冰化雪保障道路杨通和行:车安全避免直接使用除冰盐给混凝土路面桥梁结构机场跑道等所带来的许多负面效应如钢筋纤维锈蚀路面剥蚀破坏环境污染等问题;还可解决我国北方城市建筑冬季使用以煤为原料的蒸汽锅炉 .集中供暖所造成的空气污染因为电是最干净最清洁的能源在冬季导电

混凝上无论是处在浇注养护期还是凝结硬化后需要融雪化冰都必须精确地描述混凝土电加热过程温度 (t随时间 (:)变化的客观规 ),、、、、、

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律以用于混凝土温升速度的准确控制这可以在广义吴震东方程基础上考虑混凝土融雪化冰吸热所需的热量来精确计算之 1 .

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广义吴扭东定律和广义吴展东方程. 91 1 8年我国著名学者湖南大学吴震东教授针对 (俄 ) E r斯克拉姆塔耶夫教授按稳定传热建立的,

1 .1

吴及东定体和昊瓜东方程

混凝土冷却公式所存在的诸多问题依据不稳定传热理论从瞬时动态角度出发考虑影响混凝土主要{:影响因素提出了广义冷却定律”非大体积混凝土在冷却过程中任意时刻单位体积混凝土内热含量,

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刻它所产生的水泥水化热量与扩散热量之差吴震东定律的提出在传热物理上’’‘‘‘‘:意义十分重大据此创立了蓄热微分方程 r 1即著名的昊震东方程,

的变化量等于同

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时间 (: )之平均温度“,;。:

’混凝土人模后起始温度 ( t );。:混凝土比热容 ( Jlkg℃ ); y:混凝土表

,水泥最终累积总发热量 (J/kg);甲:单位体积混凝土水泥用量 ( k岁m ); a:无量纲透风:系数; K:保温外套的总传热系数; M结构或构件的表面系数 ( m水泥水化速度指标 (h外 .;e界平均计算气温 (七 )自然对数之底

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这套公式已纳于国家技术监督局中华人民共和国建设部联合颁布的中人民共和国国家标准 r,‘B 5 2 0

一 9《凝土结构工程施工及验收规范》,作为强制性国家标准实施至今目前已为国内外混 0 4 2 30余篇文献引用或采用其中约 8余篇文献将其命名为吴震东方程 0吴震东公式和吴氏法是 .我国近代科学技术史上以中国科学家名字命名的定律方程公式理论最多的文献 . 1 1广义吴,东定律 . 4文献〔对吴震东理论用于电气加热混凝土作了深人的研究研究表明:混凝土电气加热蓄热过程温度 (动随时间 (: )变化的客观规律可用广义吴震东定律描述即:混凝土在电气加热蓄热冷却过程’,,,

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中任一时刻单位体积混凝土内热含量的变化量等于同一时刻混凝土水泥水化热量加上通电导体放出的 .热量与通过保温套向外扩散热量之差” . 1 2

广义昊屁东方程

根据广义吴震东定律将影响混凝土电气加热蓄热的全部因素考虑进去从瞬时动态角度出发建立了广义吴震东方程;引:5],

4文献〔

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其严格完整的数学分析解即为广义吴震东

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导电混凝土融甘化冰过程非稼态传热理论国内外有文献对导电混凝土融雪化冰的机理作了一些研究也推导了若干实用的热工计算公,,,,

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但一般是在能量守恒按稳定传热理论建立的不符合实际情况本文依据非稳定传热理论以吴震东定律为基础提出了导电混凝土融雪化冰加热过程新的热传导定律即:导电混凝土融雪化冰加”,”,

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热过程中任一时刻单位体积混凝土内热含量的变化量等于同一时刻导电混凝土通电加热过程发出的 .热量与导电混凝土自身吸收的热量加上导电混凝土结构融冰化雪所需要的热量之差据此建立了新的 O f I:广义热力学微分方程从而解得一组精确的理论公式”,

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立方米冰的质量 ( k以衬 );

及 (7 )

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因此深人研究导电混凝土的电阻系数就显得很有必要了

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普通混凝土电阻系数

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:: .电阻率与混凝土品种电探关系 (} 2 0 4 9琶 Fi .

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:电阻系数又称电导率或电阻率影响混凝土电阻系数的因素很多如水泥中含碱量的增加可降低电阻系数;抓化钙等化学外加剂也可降低电阻系数此外水泥品种养护时间对电阻系数均有较大,、

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论文

第3期

邓寿昌等

导电混凝土材料电阻系数的研究和分析

. .影响图 1给出了不同水泥品种在不同电压下的电阻率变化趋势从图 1可看到在电压不变的情况下高铝水泥的电阻率>快硬硅酸盐水泥电阻率>普通硅酸盐水 .泥电阻率;并随着电压的增高电阻系数而增大图 2是养护时间在不同水灰比条件下混凝土中火山灰掺 .量的不同电阻率变化趋势从图 2可分析到 (1水灰比越大电阻率越小这是因为混凝土的含水率增加或

水化过程电解质浓液 ) . 7增大会降低电阻率;(2火山灰掺量越大水灰比越小则电阻率越大文献〔 j较为深入地研究和分析了 ) .普通混凝土电阻系数的影响因素,,,

4

导电混凝土的电阻系数衡量导电混凝土的主要指标是电阻系数 (即.

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1

导电混报土加热原理导电混凝土加热原理是将具有良好导电性能的材料掺入到混凝土中去通过搅拌使导电材料均匀,,,,

散落和分布在混凝土再进行浇筑~入模~成型~养护当凝结硬化后的混凝土接通外部电源导电馄 .凝土产生热量就可用于室内墙面地面的加热室外水泥混凝土路面的融雪化冰 . 4 2导电混凝土材料目前各国用于缸作导电混凝土材料基本的组分可分为三类:无机类 (如:水泥导电混凝土水玻璃导:电混凝土等 );有机类 (如沥青导电混凝土树脂导电混凝土等 );复合类 (聚合物导电混凝土浸演混凝、

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土等 );能用于导电混凝土的材料很多如:金属材料 (铜铝锌铁屑铝合金等 )非金属材料 (非晶碳,、、

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石墨焦碳等 )但并非都可适应于制作混凝土的材料目前的研究表明在众多导电材料中只有碳质骨料 .最适用于作导电混凝土的骨料碳纤维最适用于作导电棍凝土的导电材料 . . . .一 2 x l 4 2 1钢纤维导电混凝土的电阻系数 )护。钢纤维具有良好导电性其电导率 p〔 ( 1 3 4 .一。 n, ie 2%在混凝土掺入 l%的钢纤维可使混凝土的导电能显著提高 N B a t和 R n h i等人选用钢纤 .一 2% 5 8维平均直径为 2~体积掺量为 11 5%养护 2 d的钢纤维混凝土水泥基复合材料导电性进行研 . .‘{一 7 4一 3 1 9 )、 1 0,。耐”〕美国学者 sh e r r i 2%究测得电阻系数。任 (等人 1对体积掺量一 5%一 2 0+钢屑导电混土的阻一% 1 0汉)日的钢纤维及为积掺量 1% 0的纤维测定 (5,,· . c m

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并且随时间的延长钢纤维

+钢屑电导混凝土电阻系数明显增大这就意味着随时间的延长其导电.碳质骨料和碳纤维材料都具有良好的导电传热性能揍加、

能力显著降低就其原因主要是钢纤维表面

产生氧化钝化层使得混凝土导电性能下降

. . 4 2 2

碳纤维导电混凝土的电阻系数,

碳纤维导电相材料会导致混凝土强度下降但稍低于不掺碳纤维的素混凝土强度而高于掺碳质骨料的 .导电混凝土强度左~:右的细长材料掺入到混凝土中去有利于混凝土在硬化后内部形成导电网络电流微观图表明碳纤维0 1,,

,

研究表明切短的碳纤维是制备导电混凝土的一种理想材料,,,

,

一般将炭质纤维剪制成 5,

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越细直径越小在单位体积掺加量不变的情况下碳纤维根数越多累积总长度越大纤维之间更密集 . .易于相互交错与搭接而形成相互连同的导电网络这种网络以无规则的状态随机分布唐祖全等人 f川

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将聚丙烯肺基碳纤维切短 5~作为导电相制备导电棍凝土测得电导率与碳纤维质量百分含量的关系 .如图 3图 3的纵坐标是电导率的倒数 p这样可使纵坐标单位量纲的数值极大的降低便于图形和曲线 . . .:分析作者仔细研究发现碳纤维含t 1 5%值基本不变当。 5<碳纤维含量‘ 0值急剧增 . .<碳纤;进一步研究图 3还可发现碳纤维百分大。7%维含量‘ 1 5% p值依然增大但增长速率减缓 .含量增加 0 5其电导率几乎无变化呈一水平直线这可以解释为由于碳纤维体积含 t少导致碳纤维 . .之间的搭接网络未能形成完整的通路因此导电能力很弱当 0 5%<碳纤维百分含量缤 0 8%导电率 .急剧上升说明随纤维体积百分比增大碳纤维之间的搭接网络已形成较完整的通路导电能力很强;当 . . . 0 8%<碳纤维百分含量‘ 1 5%导电率依然在持续增大但增大速度放慢最后趋向于稳定几乎同 .时吴科如等人{酬也给出了类似的关系图 4图 4是不同碳纤维掺量对体积导电率影响关系图与图 3相 .比较仅横坐标量纲略有不同但性质是一样的一

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碳纤维含量与电份率的关系 w l a on h p i R el i s i反一 e e n e o n *e n之 o f e a而 n f悦 re l n a d le *行e a c,

碳纤维体积分数图 4体系导电率与碳纤维渗流结构关系 g. t a ons p y Fi 4 R e l i hi阮 tw e n e阮一 c c o n d u tiv i‘ d c l a eo n i i y O c n duet vi y ear肠n 6玩, i t n e vt f o t C,

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研究图 4可知碳纤维在水泥基中随碳纤维体积百分数的增加电导系数 p也随之增加碳纤维网络 .也随着碳纤维的掺加量增大而分布状况越密集最终形成一个良好的导电网络研究还表明:低应力下 .导电网络易于形成高应力下导电网络易于破坏 . . 4 2 3拾硅粉对导电混凝土电阻率的影响未掺加硅粉的导电混凝土电阻率与碳纤维体积含量的 7 5[!]关系见图,,

,

,

从图 5中可以看出未掺硅粉的导电混凝土的渗,

滤阀值在碳纤维体积含量 (以下都是指体积含量 )为二 l%左右时此时电阻率为 12 n但如果考虑试样于的尺寸效应该电阻率将下降到 10。左右即导,· . e m

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电混凝土能有效地用于融雪化冰所必须达到的电阻 . .率从图 5观察到碳纤维体积含量的百分数在 0 6与

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.之间电阻率下降很快在 1 1开始变化趋于平缓 . .大约在 1 9时导电率趋于 0. 1 0,,,

,

碳质骨料不可掺入过多否则会使混凝土的强度下降但在混凝土掺硅粉确能极大地提高混凝土的强

写龙一一滚丫一一不片一一万馆一~卜九碳纤维含量 C/%

度因此在实际工程中高强混凝土或高性能混凝土的、、

,

图 5 . g Fi 5

组分除了掺化学外加挤活性粉煤灰掺合料外增加 .硅粉的含量是一种有效的途径硅粉是一种空心球状超细粉体比表面积约为 2耐/g约为水泥的 5 0 0 . i i 5 0 6倍最大直径不到 1拼m平均约为 0 1拌m硅粉的主要成分为无定形 s飞其 s几的含量高达 8%,,,,,,

,

导电混凝土的电导率与碳纤维体积含量的关系图 al w i R e l i hi b r加。目e r c e o n d u eriv ity o e le tr e a ly f c i l l咖 P ee a c c enr a eo n d e onc花 t n f o l记 c i u t拍闻 o t t o v lu l o f o山I 6玩 r n a

5 9%

显高分散状态因而具有巨大的比表面积及反应活性能有效地改善混凝土内部空结构增强界面 . 2粘结能力降低界面处 C ( O H )的取向指数从而提高混凝土的强度因此

要保证碳纤维混凝土的导电 a,,,

,

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,

性能又要保证碳纤维混凝土高强高性能的力学性能则需要弄清楚硅粉对碳纤维导电混凝土电阻系 .数的影响时电导率和碳纤维体积含量的关侯作富等人从实验角度研究了导电混凝土掺硅粉。% . 6盯”{系见图图 6的实验曲线证实: (1掺硅粉能有效的降低碳纤维导电混凝土电导率并随着碳纤维体积的增 ) . . .一 0 7% 3之间的导电率与未渗加逐步趋于一个稳定的电阻系数值 (2碳纤维体积掺量百分数在 0 5% )0 1%、

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硅粉时的差别较明显硅粉掺量越大

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.碳纤维的分散性使导电网络更加密集从图 6中观察到掺硅粉 2%的碳纤维混凝土在 A点的导电率为 0 . . 120 I n 2未掺硅粉的 B点的导电率为 1 2 0 n几乎在同一水平线上此时 A点所对应的碳纤维· c

值降低越明显这说明导电性能好即硅粉的加入有效地提高了·

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论文

第3期

邓寿昌等

导电混凝土材料电阻系数的研究和分析,· c m

1 13,

. . . 3体积含量和硅粉掺量分别为 0 7%和 2%换言之虽然 A点比 B点底 2 I n 0 .并不影响导电混凝土融雪化冰所需的电阻率 5o也不影响混凝土结构电气加热升温所需的电阻 .率 400 5

但说明硅粉的掺入

结

语,

本文在吴展东理论的基础上从不稳定传

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300

热出发考虑导电混凝土融冰化雪电气加热过程各种影响因素建立了描叙温度 ( t随时间 ) (z变化客观规律新的理论公式可用于导电混 )凝土电气加热温度升温控制的计算并对各种导电相材料混凝土的电阻系数作了较为深人的研究和分析为解决导电混凝土墙面地面的加,、,

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热升温及大面积导电水泥混凝土路面融雪化冰 .所需电功率的计算奠定基础

硅粉接量不同时导电混凝土的电阻率与碳纤维体积含量的关系图 . Fi 6 R e a i g lt o i阮t e n e le tr e a l c n ue ti粕 r te o p w c i ly o d a f h s n e行 y 1 e倪之 l~ du亡 r j v e e佣帅宜 a d d i昭 ro a l k in of .ilieo l d n词 e n泊 f v f o d p w r a d c nt nt o olum e O ea代 n 6阮 r o e

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. . .一 1 4东非大体积泥扭土蓄热冷却计算理论的研究〔建筑技术] J . . .

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7 ( 7: 8一 1 1 )] J 8 1【〕中华人民共和国国家标准 G B 5双抖一9混凝土结构工程施工及验收规范国家技术监督局中华人民共和国建设部 19 2 ) ( 2 . .联合发布 t9 3一 0一 0实施沈阳辽宁科学技术出版社 5[ . . .一 9 1 l J肠3〔]吴科如陈兵姚武碳钎维机敏水泥荃材料性能研究〔同济大学学报,,,:

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混凝土及水泥制品

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