浅谈碳纤维石墨导电混凝土CFGCC在地暖中的应用

         引言
　　混凝土作为建筑材料，从普通的结构材料-高强结构材料-高性能混凝土，发展到目前的智能混凝土阶段，本文介绍的碳纤维导电混凝土具有高强度和良好的导电性能，为室内地暖工程提供了不可多得的好材料。碳纤维是一种高强、高弹模、耐高温、耐酸碱腐蚀且导电性良好的非金属纤维状材料，它既具有碳的优良性能，又具有纤维的柔曲性。而石墨具有优质的导电性能，石墨混凝土具有热容量大、极限电流大和易成型等优点，所以掺入碳纤维石墨的混凝土也具有了高强度、高弹模、低干缩、良好的抗弯、抗拉、抗冲击等优良性能，更重要的是其还具有导电性和电热效应，在一定的电功率作用下，碳纤维石墨混凝土的温度升高，并向周围环境放出热量，这使得其拥有广阔的发展领域和应用空间。
　　1 导电混凝土的国内外发展状况
　　智能混凝土是智能材料的一个研究分支，其起源可追溯到本世纪60年代，当时苏联学者首先采用碳黑为导电组分尝试制备了水泥基导电复合材料；80年代末，日本土木工程界的研究人员着手开发构筑高智能结构的“对环境变化具有感知和控制功能"的智能建筑材料”；美国D.D.L.chung教授及她的课题组自1993年提出了智能混凝土（Smart-concrete）的概念后十余年来一直致力于智能混凝土的研究；我国也在80年代开始了对导电混凝土的研究。1998 年，李仁福等进行过一次利用石墨水泥净浆制作室内采暖地面的尝试，取得了较为满意的成果。武汉理工大学的侯作富、李卓球和唐祖全等人开展了碳纤维混凝土用于融化冰雪的研究，论证了该材料用于道路除冰的可行性。这些研究结果说明，导电混凝土的电热效应可以满足建筑采暖、道路除冰等生活生产方面的要求，具有实用化的前景。
　　2 碳纤维混凝土的应用
　　1982年碳纤维混凝土复合板首次用于巴格达市一座纪念碑上。1986年日本东京的ARK大厦、东京医科大学等都运用了碳纤维混凝土技术。美国在巴拿马海军港口码头为保护原码头钢筋被海水侵蚀而采用了碳纤维混凝土进行加固。在国内，碳纤维混凝土已经在长江三峡工地的围堰上使用，并取得了较好的效果。侯作富报道了碳纤维导电混凝土大板的研制，满足了融雪化冰的要求。苏健波、李思志介绍了自1996年开始，碳纤维混凝土在我国的广泛应用。重庆世界贸易中心在特大型转换层大梁中，应用PAN基碳纤维增强混凝土成功地解决了高标号大体积混凝土施工中的抗裂和提高韧性等问题。在地暖方面，也有了实质性的进展，韩国PTC公司开发出易拆装的电热膜地暖碳纤维地暖加热垫，我国也自研出Hobar电热膜。
　　3 碳纤维-石墨导电混凝土地暖
　　3.1 地暖发展前景
　　地暖是地板辐射采暖的简称，是以整个地面为散热器，通过地板辐射层中的热媒，均匀加热整个地面，利用地面自身的蓄热和热量向上辐射的规律由下而上进行传导，来达到取暖的目的。地暖（地面辐射供暖）按照供热方式的不同主要分为水暖和电暖，而电暖又有纯电能电暖和碳纤维电暖之分。而碳纤维石墨电暖是在原有的碳纤维电暖里加入石墨，使热源分布更均匀，碳纤维石墨电暖是近几年国外兴起的一种新兴的电能取暖模式。这种地暖成为成本低廉、热能转换效率更高、节能效果更好的一种新兴产品。碳纤维电暖的发热方式与纯电暖的发热方式一样，都是以电为供热源。未来的地暖必然是向着更舒适、更节能、更多样化方向发展，而碳纤维石墨电暖正顺应了此发展。
　　3.2 碳纤维-石墨导电混凝土在地暖中应用的优势
　　长期以来，导电混凝土的导电性能的获得常常以牺牲它的强度为代价。混凝土本身为不良导体，为改善其导电性能加入大量的石墨，但同时其强度将大幅下降。因为粉末状石墨的长径比小，在混凝土内难以形成相互连通的导电网络，必须掺加较高含量才能在混凝土基体内形成相互连通的导电网络使导电凝土具有良好的导电性。石墨粉的需水量很大会大幅增加混凝土拌合物的用水量，导致其强度随着掺量增加而快速下降。单掺碳纤维的导电混凝土也存在成本高、碳纤维易结团、增加混凝土气孔率等问题。而加入石墨可以改善碳纤维在混凝土中的拌合性能，碳纤维又可以弥补石墨强度不够的缺陷，P.XIE等早在1995年用碳纤维及碳系颗粒材料制作导电混凝土将其用于融雪除冰，实验中将碳纤维、碳质颗粒作为导电相的材料电阻率为1.2Ω·cm，但制备时水灰比较大，抗压强度和抗弯强度较低；仅以碳纤维作为导电相，混凝土电阻率稍高，但力学性能优异。基于此，将碳纤维与碳质颗粒以一定比例结合起来就可以制成电阻率在1～30Ω·cm之间，抗压强度约为40MPa，抗弯强度6～11MPa的新型导电混凝土。其已将这种含粗集料的碳纤维炭质颗粒导电混凝土直接用于融冰化雪，当空气温度在-30℃～ -5℃变化时，在加热过程中电阻只变化了0.8Ω·cm，同时输出功率非常稳定，且板表面发热均匀。其是目前导电混凝土中电阻率最低的，再结合其较好的力学性能，为其在地暖工程中的运用做好了铺垫。
　　4 展望
　　目前对导电混凝土的应用研究还主要集中在：一、融雪除冰 ；二、交通监测；三、建筑室内供暖。对碳纤维混凝土智能化的研究和开发将进一步拓宽它的应用领域，为社会带来巨大的经济效益，但是碳纤维石墨导电混凝土作为一种新型的功能材料，在实际工程应用中还有许多问题需要进一步研究。如：1.纤维的分散问题；2.碳纤维表面的亲水化处理；3.导电混凝土基准配合比的选择，以及对混凝土强度和导电性的影响；4.电极的选择和设计等方面都需要改进。我国的碳纤维混凝土在实际工程建设中的应用还处于起步阶段，随着国家经济建设的不断发展和人们对工程质量要求的日益提高，碳纤维石墨混凝土也将展示出它超群的优势。
　　参考文献
　　[1] 周永祥，冷发光，何更新，纪宪坤.导电混凝土技术综述[J].中国建材科技，2009，（1）：42-50
　　[2] 左正，杨晶，胡昱，王亚军. 导电混凝土应用于建筑采暖工程的计算方法[J]. 土木建筑与环境工程，2013，35（4）：139—144.
　　[3] 安建新.地暖的现状及发展[J].供热制冷，2011，（6）：48-49.
　　[4] 刘文勇，袁璞，马冬冬，张阳阳. 短切碳纤维混凝土单轴冲击压缩试验与分析[J].混凝土与水泥制品，2014，（5）：46-49.
　　[5] 王明明， 徐协文， 刘其城. 分散剂对碳纤维砂浆分散体系的影响[J]. 长沙理工大学学报（ 自然科学版），2010，7（3）：74-78. (责任编辑：论文发表网)转贴于八度论文发表网: http://www.8dulw.com(论文网__代写代发论文_论文发表_毕业论文_免费论文范文网_论文格式_广东论文网_广州论文网)