Использование бетона в качестве электропроводного материала

В настоящее время бетонные и железобетонные конструкции находят все более широкое применение в различных областях техники. Новые области применения бетона потребовали и новых зйаний о его свойствах. Наряду с изучением физико-механических свойств сейчас стали уделять большое внимание электротехническим свойствам бетона и, как следствие этого, были начаты работы по созданию бетонов с заранее заданными электрическими характеристиками.
Во многих странах ведутся работы по созданию специальных бетонов с заданными электрическими свойствами, а также по исследованию и использованию электрических свойств обычных строительных бетонов. Интерес к этой работе обусловлен большими перспективами, которые откроются перед строительством, электроэнергетикой и другими отраслями техники в том случае, если будут найдены надежные пути превращения бетона в электропроводящий материал.
Изучение электрических свойств бетонов и создание новых типов электропроводящих бетонов идет в двух направлениях.
1. Создание электропроводящих бетонов с малым удельным электрическим сопротивлением и стабильностью электрических параметров во времени при изменяющихся условиях эксплуатации.
2. Изучение электрических свойств существующих бетонов и создание бетонов с улучшенными электроизоляционными свойствами: высоким удельным электрическим сопротивлением, малым значением диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости, высокой электрической прочностью.
Разделение материалов на конструктивные и электротехнические существует во всех отраслях техники. Это объясняется тем, что известные электротехнические материалы по технико-экономическим показателям, а иногда из-за специфических физико-механических свойств, не могут быть использованы как конструктивные. Попытки использовать электроизоляционные или электропроводящие свойства обычного бетона делались и раньше, однако все они, как правило, неудачны, так как бетон не обладал стабильными электрическими свойствами, а регулировать их в заданных границах не представлялось возможным. Поэтому создание на основе обычного бетона материала, обладающего высокими конструктивными и необходимыми заранее заданными электрическими свойствами, является задачей большого народнохозяйственного значения.
Обычный бетон в определенных температурно-влажностных условиях обладает способностью проводить электрический ток, однако это его свойство является не стабильным. Кроме того, в большинстве случаев электропроводность обычного бетона рассматривается как вредная, так как с ней связана электрокоррозия арматуры в железобетонных конструкциях под воздействием блуждающих токов.
В ряде случаев эту способность пытаются использовать для целей заземления некоторых строительных конструкций, работающих под воздействием электрического тока. Последнее возможно лишь в том случае, если бетон будет стабильным проводником тока. Однако при сезонных колебаниях температуры и влажности электрическое сопротивление обычного бетона меняется на 6—8 порядков. Объясняется это тем, что он обладает ионным характером проводимости. При насыщении бетона водой происходит переход легкорастворимых компонентов цементного камня в жидкую фазу и он становится полупроводником с низким удельным электрическим сопротивлением. Высушивание же бетона приводит к росту его сопротивления.
Предлагались различные способы улучшения электрических свойств бетона. Большинство из них основывалось на том, чтобы воспрепятствовать проникновению влаги внутрь бетона или уменьшить ее влияние. Разработанный во Франции так называемый «изоляционный бетон Ламберта» приготавливался на водных битумных эмульсиях. Заполняя поры, образующиеся в теле бетона, битум затруднял его увлажнение, стабилизируя тем самым электрическое сопротивление. Бетон, предварительно высушенный, а затем покрытый или пропитанный с поверхности различными изоляционными составами, применяется во многих странах для изготовления токоограничивающих бетонных реакторов. В целях увеличения электрического сопротивления бетона, предназначенного для изготовления железобетонных шпал, в его состав вводились ионно-обменные смолы, которые связывали образующиеся при увлажнении бетона свободные ионы. Уменьшение концентрации ионов в жидкой фазе приводило к снижению электропроводности как самой жидкой фазы, так и бетона в целом. Наконец, высказывались предложения о получении изоляционных бетонов на основе полной замены цементной связки на полимерную. В зарубежной практике наибольшее распространение получил способ использования полимерных связок для получения электро-изоляцонных пластобетонов, в частности эпоксидного бетона.
Попытки использовать проводящие свойства бетона во влажном состоянии имели ограниченный успех. Объясняется это тем, что влажный бетон, с одной стороны, не выдерживал импульсов тока, с другой — при низких температурах, когда вода, находящаяся в бетоне, замерзала, он становился плохим проводником.
Характерная особенность большинства упомянутых выше работ заключалась в том, что бетон рассматривался с электрической точки зрения как нечто единое без достаточного учета его химического и фазового состава, микро- и макроструктуры, особенностей физико-химических процессов, приводящих к образованию его как материала.
В основу ведущихся исследований положен иной принцип получения как токопроводящих, так и изоляционных бетонов. Для изоляционных бетонов это, во-первых, комплексное изучение свойств отдельных компонентов цементного вяжущего и различных их сочетаний, что позволило выделить те из них, которые бы в наибольшей степени приближались к диэлектрикам и, во-вторых, установление роли пористости бетона и определение границы, опасной в электрическом отношении. Для электропроводящих бетонов это, во-первых, отыскание токопроводящёй добавки, изменяющей свойства бетона в сторону повышения его электропроводности и, во-вторых, получение на ее основе композиционного материала — специального бетона со всеми характерными качествами проводника электрического тока.
В результате этих работ был создан электропроводящий бетон, названный бетэлом, обладающий, наряду с конструктивными свойствами, способностью проводить электрический ток.
На основании теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что изменение в нужном направлении фазового состава и структуры цементного камня и бетона, а также использование токопроводящих добавок является одним из основных путей получения бетонов с заданными электрическими свойствами. Этого следует добиваться не только за счет выбора исходного вяжущего, заполнителя и добавок, но и создания оптимального с точки зрения электрических свойств режима твердения. В ранее выполненных работах в нашей стране и за рубежом первое учитывалось недостаточно, а второе не принималось во внимание вообще.
Связка, используемая в бетоне, может быть самой различной и в зависимости от ее вида различают следующие типы бетона: пластобетона, полимерцементный бетон и бетон на цементном вяжущем. Если проанализировать их с точки зрения электрической, конструктивной и экономической эффективности, то можно сказать, что наиболее подходящим для электрических целей является бетон на цементном вяжущем, так как он имеет, помимо высоких конструктивных и технико-экономических показателей, достаточно хорошую короностойкость и дугостойкость. Поэтому работа по применению бетона для электротехнических целей и должна развиваться в направлении использования обычного цементного бетона с учетом различных методов, улучшающих его электрические свойства.
Предварительные исследования прочностных и электрических свойств бетэла показали, что он может быть получен с большим диапазоном электрических и механических свойств:
Удельное электрическое сопротивление, ом-см 10—104
Прочность на сжатие, кг/см² 85—250
Прочность на растяжение, кг/см² 15—30
Объемный вес, г/см² 1,8—2,2
Допустимая плотность тока, а/см² 10—0,1
Рабочий диапазон температуры, ^°С —60°—I-150°
Рабочая температура перегрева, ^°С 120
Допустимая скорость перегрева, ^°С/сек 200
Удельная разрушающая энергия при однократном включении токовой нагрузки, вт-сек/см³ 230—300
Удельный объем, необходимый для рассеивания энергии 1 Мвт-сек при перегреве на 1^°С, 0,57
Удельная теплоемкость, ккал/г-град 0,22
Электропроводящие бетоны относятся к числу дешевых и доступных материалов. Их стоимость лишь в некоторых случаях будет незначительно превышать стоимость обычных строительных бетонов. Это объясняется тем, что при изготовлении электропроводящих бетонов и конструкций на их основе используются распространенные составляющие — вяжущие, добавки, заполнители, а также в основном освоенные промышленностью технологические процессы.
Бетэл может найти широкое применение в области гражданского и сельскохозяйственного строительства. Панели стен и перекрытий, полы, кровли с внутренним водостоком, фундаменты опор линий ЛЭП, — вот далеко не полный перечень конструкций из него.
Бетэл как всякий проводник при прохождении электрического тока нагревается. Это позволяет широко использовать его для создания электроотопительных элементов зданий. В качестве нагревательных элементов могут быть использованы без больших изменении конструкций и технологической оснастки применяемые в настоящее время стеновые панели и плиты междуэтажных перекрытий. Конструкции из электропроводящего бетона позволят отказаться от сложных существующих систем отопления, обеспечат возможность создания индивидуального микроклимата в жилых помещениях, позволят предложить ряд принципиально новых решений отдельных узлов, обеспечат сокращение сроков монтажа зданий, приведут к снижению целого ряда эксплуатационных расходов, особенно в условиях сурового климата.