В статье проведено исследование дорожных покрытий, в частности изготовленных из бетона для создания электропроводящих дорожных одежд.
Были подобраны оптимальные составы на основе углерода для будущего дорожного покрытия, способного проводить электрический ток с постоянной температурой нагревания.
Ключевые слова : электропроводящий бетон, углерод, электропроводность.
Целью исследования соавторов является электропроводящие бетоны с контролем проведения электрического тока для создания дорожных покрытий с постоянной поддерживаемой температурой поверхности +5 ºС в зимнее время года.
Для создания электропроводящего бетона применимого для дорожных покрытий были изучены основные достоинства и недостатки как бетонных дорог, так и асфальтных.
На сегодняшний день повышение качества дорог в России имеет достаточно большую актуальность. Бетон обладает гораздо лучшими светоотражающими свойствами, чем асфальт, следовательно, и видимость в темное время суток на такой дороге лучше, что позволяет снизить расходы на освещение такой дороги на 15–20 процентов [1].
Таким образом, создание электропроводящих дорог именно из бетона обусловлено следующими факторами: достаточно длительный срок службы, долговечность данного строительного материала, более низкие затратами на поддержание эксплуатационных характеристик дорожного покрытия из бетона.
Интерес к этой работе был обусловлен большими перспективами, которые открывались перед строительством, электроэнергетикой и другими отраслями техники при нахождении надежных путей превращения бетона в электропроводящий материал. В качестве электропроводящего элемента использовались различные углеродистые материалы: сажи, некоторые коксы, графиты [2].
В проведенных исследованиях было выявлено, что электрическое сопротивление цементных композитов с нано частицами изменяется в процессе твердения. Вода в порах цементного камня выступает в роли участков токопроводящих путей. По мере удаления пор эти пути нарушаются, и общее электрическое сопротивление образца возрастает. Оптимальным содержанием углеродных нанотрубок является 0,5 % от массы вяжущего [3].
Перспективным направлением данного бетона является производство специальных поверхностей-обогревателей, которыми могут быть не только дорожные одежды, но также и стены, и тротуарная плитка [4].
Соавторами были исследованы углеродсодержащие материалы, обладающие стабильной электропроводностью [5]. На основе анализа уже проведенных работ по получению электропроводящего бетона, было выявлено, что графит обладает более низкими резистивными характеристиками [6].
Электропроводность графита приближается к электропроводности металлов как по абсолютной величине, так и по знаку температурного коэффициента. Металлический характер проводимости графита связан с наличием коллективизированных электронов. Для электропроводной добавки рассматривается графит кристаллический, который представляет собой полиморфную модификацию графита природного происхождения с кристаллической структурой [7].
Ценным свойством графита является его электропроводность, которая обусловлена содержанием углерода до 98 % в зависимости от марки.
Графит транспортируют транспортом всех видов в крытых транспортных средствах в соответствии с правилами перевозки грузов, действующими на транспорте данного вида.
Транспортирование графита, упакованного в мягкие специализированные контейнеры, по железной дороге осуществляется повагонными отправками на открытом подвижном составе в прямом железнодорожном сообщении. Графит, упакованный в мешки, должен храниться в закрытых складских помещениях, упакованный в мягкие специализированные контейнеры в соответствии с инструкцией по их эксплуатации. Срок годности графита — без ограничения, при условии хранения его при нормальных условиях в закрытом складском помещении [7]. В качестве графита был выбран графит самой высокой марки ГЛ-1. Особенности данного вещества определяются хорошей электрической проводимостью, содержанием углерода не менее 90 %. Величина зерен в таком графите крайне мала — меньше 0,001мм. Руду обогащают с помощью размалывания и рудоразработки.
Подобранные составы цементных композитов с содержанием графита литейного кристаллического указаны в Таблице 1.
Таблица 1
|
Состав |
Графит марки ГЛ-1, в %-м содержании, гр. |
||
|
50 % |
25 % |
10 % |
|
|
Вода |
800 |
450 |
330 |
|
Портландцемент |
400 |
400 |
400 |
|
ST 4.3.1 |
8 |
18 |
25 |
|
ГЛ-1 |
400 |
200 |
100 |
|
АГ-2 |
- |
- |
- |
Рассмотрены 2 состава, с добавлением графита марки ГЛ-1 с различным процентным соотношением, Для каждого из составов подобрано оптимальное водо-цементное соотношение. Испытание на электропроводность проводилось электроизмерительным прибором — мультиметром.
Рис. 1. Образцы кубики с добавлением ГЛ-1
На каждом рассматриваемом составе были отформованы образцы — кубики 7х7х7 см. В каждый образец были погружены 2 провода по диагонали оголенным концом вниз. В целях обеспечения безопасности верхний конец провода был оголен уже непосредственно перед испытанием. Испытания проводились мультиметром на 14 сутки твердения. Полученные результаты отражены в Таблице 2.
Таблица 2
|
Процентное добавление активного вещества |
Электропроводность составов, Вт |
|
На основе графита |
|
|
10 |
39 |
|
25 |
22 |
|
50 |
47 |
Рис. 2. Процесс измерения электропроводности образцов кубиков
Для измерения электропроводности была создана экспериментальная модель, состоящая из источника питания (высоковольтная батарейка 9 ВТ, 10 шт.), подсоединенного к образцам посредством проводов.
На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
– Графит обладает наилучшей электропроводимостью, что обусловлено процентным соотношением углерода, равным 98 %;
– Оптимальная доля графита в цементном композите, при которой наблюдается устойчивая проводимость тока, равна 25 % от массы цемента. При этом минимальное напряжение равно 22 Вт, что наравне с долей 50 % в цементном композите и напряжением 47 Вт, является более экономичным и требует меньших энергозатрат;
– Проведенные исследования показали необходимость изучения электропроводности составов с соотношением графита 15–20 %.
Дальнейший состав требует доработки, так как не учтены резистивные характеристики образцов с добавлением крупного и мелкого заполнителей.
Литература:
- Электронный ресурс. Дорожное покрытие, 16.01.2020 URL: https://proteh.org/articles/03052019-dorozhnoe-pokrytie/amp/
- Возможности использования электропроводного бетона (бетэла) в гражданском строительстве. СибЗНИИЭП, 1971 год.
- Грешкина Е. В., Табагуа Г. Р., Тамов М. М. Электрическая проводимость и пьезорезистивные свойства цементного камня с добавлением углеродных нанотрубок // ИВД. 2019. № 6 URL:https://cyberleninka.ru/article/n/elektricheskaya-provodimost-i-piezorezistivny-svoystva-tsementnogo-kamnya-s-dobavleniem-uglerodnyh-nanotrubok.
- Урханова Л. А., Буянтуев С. Л., Урханова А. А., Лхасаранов С. А., Ардашова Г. Р., ФедюкР.С.,Свинцов А. П., Иванов И. А. Механические и электрические свойства бетона, модифицированного углеродными наночастицами// Инженерно-строительный журнал. 2019. No8(92). С.163–172. DOI: 10.18720/MCE.92.1
- Airfield Pavement Deicing with Conductive Concrete Overlay / C. Y. Tuan / University of Nebraska-Lincoln, Digital Commons. — Электрон. данные. — URL: https://www.academia.edu/30879700/ Airfield Pavement Deicing with Conductive Concrete Overlay. 2016
- Томаровщенко О. Н. Получение и свойства цементных токопроводящих композитов с использованием углеродных материалов и механоактивированного песка // БГТУ им. В. Г. Шухова. 2017.
- ГОСТ 5279–74 Графит кристаллический литейный. Технические условия.
