Работаем по СПб и Ленинградской Области!

Электропроводимость бетона

Бетон и создаваемый на его основе железобетон на базе фибры или арматуры — основной конструкционный материал, который применяется как в массовом строительстве, так и для решения специфических задач. В последнем случае используются смеси с особыми свойствами как в незатвердевшем состоянии, так и в проектном возрасте. Одной из сфер, которая интересна с точки зрения эксплуатационных возможностей, считается регулирование электрических характеристик бетона.

Оглавление

  1. Проблематика вопроса;
  2. Поведение бетона при воздействии электрического тока;
  3. Способы регулирования электропроводности бетона;
  4. Характеристики бетэла;
  5. Перспективы применения бетэла

Проблематика вопроса

В отличие от привычных направлений работы над упрочнением конструкций и увеличением сроков их эксплуатации, электрические свойства бетона пока находят ограниченное применение на практике. При этом многие разработчики уже обратили внимание на сферу создания специальных разновидностей бетона с заранее заданными пределами изменения электрических характеристик. Впрочем, даже исследование электропроводности и других аналогичных свойств традиционных бетонных смесей представляет интерес как с точки зрения их нового применения, так и из соображений прогнозирования стойкости строительных конструкций.

Схемы подключения прогрева бетона электродами
Рисунок 1. Использование электропроводящего бетона в дорожном строительстве

Интерес к указанному направлению исследовательских работ обусловлен широкими возможностями применения бетонов с заранее заданными электрическими характеристиками в строительстве, энергетике и прочих отраслях промышленности. Поэтому сейчас выделяют следующие главные направления исследований электрических свойств бетонов и разработки новых составов смесей:

  1. изучение электрических свойств применяемых на практике классов бетонных смесей и создание на основе этих знаний новых электроизоляционных бетонов с улучшенными характеристиками удельного электросопротивления и электрической прочности, малыми диэлектрическими потерями и диэлектрической проницаемостью, что важно для безопасности эксплуатации таких конструкций и увеличения срока их службы;
  2. разработка электропроводных составов с низким удельным электросопротивлением и сохранением стабильных электрических характеристик при изменении условий эксплуатации конструкций.

Все применяемые в технике материалы условно делятся на конструкционные и электротехнические. По технико-экономическим соображениям и из-за специфических механических и физико-химических свойств электротехнические материалы редко используются для решения конструкционных задач. Попытки использовать в конструировании строительных объектов бетоны с заданными электропроводящими или электроизоляционными свойствами предпринимались и ранее, но все они были неудачными. Основной причиной этого являлась нестабильность электрических характеристик, и невозможность их регулирования в заданных пределах.

Поэтому разработка на базе обычного бетона многофункционального материала с высокими конструкционными и заранее заданными необходимыми электрическими свойствами считается важной технической задачей с большими экономическими перспективами.

Поведение бетона при воздействии электрического тока

Поведение бетона при воздействии электрического тока
Рисунок 2. Использование электропроводящего бетона в дорожном строительстве

Традиционный бетон в обычных температурно-влажностных условиях эксплуатации проводит электрический ток, но этим его свойством невозможно управлять и стабильно контролировать. При этом, в современных условиях электропроводность бетона считается негативным свойством, поскольку она вызывает электрокоррозию арматуры в ЖБК под воздействием блуждающих токов.

Иногда электропроводность бетона пытаются использовать с целью заземления строительных конструкций. Такой прием возможен лишь тогда, когда бетон стабильно проводит электрический ток в процессе эксплуатации конструкции. Но вследствие сезонных колебаний влажности и температуры электросопротивление бетона может меняться на несколько порядков. Это явление объясняется ионным характером проводимости бетона. В случае насыщения этого материала водой легкорастворимые компоненты цементного камня переходят в жидкую фазу, что приводит к приобретению им свойств полупроводника с низким удельным электросопротивлением. При испарении влаги сопротивление бетона растет.

Способы регулирования электропроводности бетона

В практике усовершенствования свойств бетона рассматривались разные методы регулирования его электрических характеристик. Большинство из этих способов состоит в предотвращении проникновения влаги в структуру материала и, соответственно, ее влияния на изменение электросопротивления.

Во Франции предлагался «изоляционный бетон Ламберта», в составе которого имеются водные битумные эмульсии, которые заполняют поры в теле бетона, что затрудняет насыщение водой, и, соответственно, обеспечивает стабильное значение электросопротивления. Существует аналогичная технология производства электроизоляционного бетона, которая предполагает его предварительную сушку и покрытие или пропитку различными изоляционными составами. Такой материал применяется для монтажа токоограничивающих бетонных реакторов.

Чтобы повысить электросопротивление бетона для железобетонных шпал, предлагалось вводить в его состав ионно-обменные смолы, связывающие свободные ионы, образующиеся при насыщении бетона влагой. В результате снижалась электропроводность жидкой фазы и всего бетона. Кроме того, изоляционные бетоны предлагалось изготавливать путем замены цементной связки полимерной. Этот метод лег в основу технологии производства электроизоляционных пластобетонов, например, эпоксидного бетона.

Что касается возможностей использования проводящих свойств увлажненного бетона, то подобные технологии получили ограниченное распространение. Это объясняется низкой стойкостью материала при прохождении тока и увеличением электросопротивления при отрицательных температурах, когда вода переходит в твердое состояние.

Ранее для упрощения создания электропроводного материала использовался подход, при котором бетон рассматривали, как электрически однородный объект, и не учитывали в достаточной мере его фазовый и химический состав, макро- и микроструктуру, особенности протекания физико-химических процессов. На современном этапе исследования возможности получения токопроводящих или изоляционных бетонов базируются на других принципах.

При разработке технологии изготовления изоляционных бетонов, учитываются свойства компонентов цементного вяжущего, а также их различных сочетаний. Такой подход позволяет выделить составы, которые в наибольшей степени приближаются к диэлектрикам. Кроме того, ведутся работы в установлении влияния пористости бетона на его изоляционные свойства.

В случае разработки электропроводящих бетонов основное внимание уделяется подбору токопроводящих добавок, изменяющих характеристики материала. Еще одним методом повышения электропроводности считается создание специального композиционного бетона с функциями проводника электрического тока. Результатом этих работ стало создание электропроводящего бетона – бетэла, который может применяться в качестве конструкционного и электротехнического материала.

Характеристики бетэла

Регулирование структуры и фазового состава цементного камня и самого бетона, наряду с применением токопроводящих добавок, считается одним из главных направлений получения бетона с заданными электрическими характеристиками. Это достигается путем правильного выбора исходного заполнителя, вяжущего и добавок, а также созданием оптимальных условий твердения.

Характеристики бетэла
Рисунок 3. Принципиальная схема бетэла: 1 – песок (диэлектрик-наполнитель); 2 – электропроводный металлосиликат; 3 – гелевая оболочка; 4 – агрегаты металлического порошка; 5 – агрегаты цемента

При изготовлении бетона может использоваться различная связка, по которой и названы типы материала:

  • пластобетон;
  • составы на цементном вяжущем;
  • полимерцементный бетон.

С точки зрения конструктивной, электрической и экономической эффективности наиболее подходящим считаются составы на цементном вяжущем, поскольку они, кроме высоких технико-экономических и конструктивных показателей, обладают достаточно хорошей дугостойкостью и короностойкостью.

Предварительные исследования электрических и прочностных свойств бетэла показывают, что при его изготовлении можно обеспечить большой диапазон механических и электрических параметров:

  • объемный вес: от 1,8 до 2,2 г/см2;
  • прочность на растяжение: от 15 до 30 кг/см2;
  • прочность на сжатие: от 85 до 250 кг/см2;
  • удельное электрическое сопротивление: от 10 до 104 Омсм;
  • допустимая плотность тока: от 10 до 0,1 А/см2;
  • рабочий диапазон температуры: от 60 до 150 °С;
  • допустимая скорость перегрева: 200 °С/с;
  • рабочая температура перегрева: 120 °С;
  • удельная разрушающая энергия в случае однократного включения токовой нагрузки: от 230 до 300 Втс/см3;
  • удельная теплоемкость: 0,22 ккал/г°С;
  • удельный объем, при котором происходит рассеивание 1 МВтс энергии при перегреве материала на 1°С: 0,57.

Перспективы применения бетэла

Электропроводящие бетоны характеризуются относительно низкой себестоимостью и технологической доступностью. Только в некоторых случаях их стоимость будет незначительно превышать цену обычных строительных бетонов. Этот факт объясняется использованием при изготовлении электропроводящих бетонных смесей и конечных ЖБК распространенных компонентов (вяжущих, добавок, заполнителей), а также применением освоенных промышленностью технологических процессов.

Бетэл может широко применяться для решения широкого спектра задач в гражданском и сельскохозяйственном строительстве. Например, из него могут изготавливаться панели перекрытий и стен, кровля с внутренним водостоком, полы, фундаменты опор ЛЭП и другие ЖБИ.

Электросетевая конструкция из бетона и бетэла
Рисунок 4. Электросетевая конструкция из бетона и бетэла: а) ЭК с заземляющей оболочкой из бетона; б) ЭК с нижней частью целиком из бетэла: 1 – бетэл; 2 – арматура; 3 – строительный бетон; 4 – грунт.

При прохождении электротока бетэл, как и всякий другой проводник, подвергается нагреву. Это свойство может использоваться для монтажа электроотопительных элементов зданий. При этом в качестве основных нагревательных элементов можно использовать стандартные плиты перекрытий и стеновые панели, что не требует больших изменений технологической оснастки и конструкций этих элементов.

В случае применения электропроводящего бетона существует возможность замены сложных систем отопления, обеспечивается возможность обеспечения индивидуального микроклимата для жилых помещений, сокращаются сроки монтажа зданий, снижаются эксплуатационные расходы, принципиально изменяются технологии строительства отдельных узлов.