Электрические свойства бетэла
Наиболее распространенным типом проводящей добавки в композиционных проводниках являются различные углеродистые продукты — сажи, графиты и др.. Однако возможность сочетания цементной связки с углеродистым наполнителем до последнего времени оставалась сомнительной. Последние работы показали, что при определенных условиях такое сочетание возможно, и полученный композиционный материал, наряду со стабильной электропроводностью, регулируемой в широких пределах, обладает достаточно высокой механической прочностью.
Основное отличие бетэла от известных композиций в том, что используется не специальная сажа, а размолотые продукты высокотемпературной обработки углей (кокс пековый и др.), а в качестве вяжущего — цемент.
Добжинским М. С. рассмотрены добавки поликристаллического углерода и его электропроводность. Проанализировав зависимость удельного сопротивления углерода от температуры приготовления, он считает наиболее приемлемым для бетэла углеродистые добавки с температурой приготовления от 1000 до 2000°С, что является наиболее характерным для коксов, используемых при получении всевозможных электродных масс. Для изготовления бетэла используется в основном кокс пековый, представляющий собой поликристаллический углерод, образующийся при высокотемпературной (~1300°С) обработке продуктов, получаемых при коксовании.
Цементное вяжущее является вполне подходящим видом связки, так как его удельное электрическое сопротивление на 6—8 порядков выше, чем у углерода, и коэффициент линейного расширения близок к коэффициенту линейного расширения добавки. Требования к интервалу допустимых рабочих температур определяются температуростойкостью цементного камня ( + 150°С), так как углерод допускает нагрев до 550°С.
Дальнейшие работы по изучению бетэла шли по пути исследования электрических свойств композиции в целом. Различие в коэффициентах линейного расширения углерода и цементной связки дало возможность предположить, что при нагреве удельное сопротивление бетэла будет уменьшаться, что полностью подтвердилось экспериментально. Хотя подобные изменения электрических параметров нежелательны, однако следует отметить, что их абсолютная величина не выходит за пределы допустимых для непроволочных сопротивлений значений.
Влажность бетэла также влияет на р композиции, однако для практически употребляемых объемных концентраций углерода это уже не сказывается. Увлажнение будет влиять на морозостойкость материала и его работу при тепловых ударах, что в целом определяет долговечность конструкции и стабильность ее свойств.
Для исследования влияния добавки углерода на электрические свойства бетона была изготовлена и испытана серия образцов. Изготовление мелкозернистой бетэловой смеси производилось вручную, крупнозернистой — в лабораторной бетономешалке.
Исследовалось объемное электрическое сопротивление р и предел прочности при сжатии. Электрические испытания образцов проводились в воздушно-сухом состоянии на прессе с установкой на подкладку из станиоля и резины для обеспечения контакта по всему торцу образца. Замер омического сопротивления образца производится при усилии в 1 г с помощью моста постоянного тока. Удельное объемное сопротивление определялось по кубиковому призменному омическому сопротивлению. Образцы из мелкозернистого бетэла после замера омического сопротивления шести образцов — кубов и призмы — испытывались на сжатие в соответствии с требованиями ГОСТ 5802—51. Образцы из крупнозернистого бетэла испытывались на прочность в соответствии с требованиями ГОСТ 10180—62 как для обычного тяжелого бетона.
Результаты испытаний показали, что величина удельного объемного сопротивления р зависит только от содержания углерода . Анализ приведенных зависимостей позволяет сделать очень важные выводы о том, что при определенном содержании углерода в смеси (420—450 кг/м3) происходит качественный скачок в свойствах бетэла, при котором р меняется почти на порядок величины, а затем уже изменяется мало. По-видимому, в этот момент в бетоне создаются непрерывные устойчивые цепочки из углерода. Об этом же говорит и небольшой разброс данных испытаний для бетэла с указанным содержанием углерода.
Другой важной характеристикой нагревательного элемента является время, в течение которого он набирает предельную (расчетную) температуру для данных условий эксплуатации и конструкции. Вопросы динамики разогрева изучались на двух типах плит: однослойных из бетэла толщиной 2 см и двухслойных с нагревательным слоем 2 см из бетэла по несущей железобетонной плите. Практически уже через 1,5 час. плиты достигают своей максимально возможной в данных условиях температуры, при температуре tH =6°C это время сокращается до 1 час. При использовании плит-панелей в натурных условиях как нагревательных элементов при tH = 18—20°С время нагрева их до заданной температуры равняется 45—60 мин. При условии аккумуляции тепла подстилающим бетонным слоем время включения таких плит для одноразового нагрева не будет превышать 2 час. Учитывая, что коэффициент включения электронагревательных приборов в здании для поддержания постоянной температуры КВкл — 0,3—0,35, понадобится всего 8—9 час. включения плит или 4 раза по 2— 2,3 час. Это удобно как с точки зрения использования электроэнергии во «внепиковые» часы, так и снижения расхода электроэнергии на отопление.
По имеющимся экспериментальным данным сделана попытка изучить вопрос стабильности электрического сопротивления плит в условиях эксплуатации их под нагрузкой, т. е. вопросы старения (старением считается увеличение омического сопротивления). Для анализа взяты однослойные плиты. За время опыта в течение двух месяцев во всех случаях оказалось, что сопротивление плит не только не увеличивается, как ожидалось, а уменьшается и довольно значительно, в среднем на 5—7%. Это говорит о том, что получение плит—панелей со стабильными во времени свойствами возможно, и их сопротивление и нагревательные характеристики в условиях длительной эксплуатации будут сохраняться.
Повторные испытания проводились на образцах—цилиндрах диаметром 60 мм с металлическими фланцами. Эти испытания проводились по более жесткому режиму (перепад температур) и показали увеличение величины сопротивления в течение 25 циклов до 6—10%. Однако полностью отнести это к старению материала нельзя, так как, по-видимому, из-за больших колебаний температуры значительно растет контактное сопротивление под фланцем.
Проведенные исследования показали, что бетэл имеет стабильные электрические характеристики и изменение его сопротивления в процессе эксплуатации не превышает 5%. Из бетэла возможно изготовление нагревательных элементов и конструкций, которые имеют высокие электронагревательные способности. В эксплуатационных режимах работы (в отопительных системах зданий) бетэловые нагревательные элементы будут сохранять стабильность своих электронагревательных характеристик и могут быть рекомендованы для создания экспериментальных систем отопления жилых и общественных зданий.