石墨导电混凝土在接地工程中的应用.pdf

第 3 8卷 第 7期 2 0 1 1年 7月 建筑技术开发 Bu i l di ng Te c hn i qu e De v e l o p me nt Vo 1 ． 38。 No ． 7 J u 1 ． 2 0 1 l 石墨导 电混凝土在接地工程 中的应用 樊 晓苓秦 志桂毛仙 鹤 ( 西北核 技 术研 究所 ， 西安7 1 0 0 2 4 ) [ 摘要 ] 为解决某接 地工程中要求降阻材料具有低 电阻率 、 同时还要有一定抗压强度特 性的难点 ， 在分析 了导电混凝 土 的降阻原 理、 基本特性 ( 如抗腐蚀性 、 长效特 性 ) 的基础上 ， 制备 了石墨导 电混凝土 。工程实际应用 表明 ， 石 墨导电混凝土满足降阻材料和结构材料 的双 重要求 ， 用 石墨 导电混 凝土施工 的接地装 置 的接地 电阻不大 于 0 ． 5 n， 现场试验 2 8 d 抗 压强 度 1 5 ． 1 MP a ， 均满足设计指标要求 。 [ 关键词 ] 石墨导电混凝土 ； 接地装置 ； 工频接 地电阻 [ 中图分类号 】T U 5 2 8 ． 5 9 [ 文献标志码 ] B [ 文章编号] 1 0 0 1 — 5 2 3 X( 2 0 1 1 ) 0 7 ． 0 0 3 0 — 0 3 APPLI CATI oN oF GR P 】 巳 【 】 [TE ELECTl UCALLY CoNDUCT 厂 】 巨 CoNCRETE I N GROI 删G ENG姗ER【 NG F a n X i a o L i n Q i n Z h i -- G u i Ma o X i a n -- He [ A b s t r a c t ] [ K e y w o r d ] I n o r de r t o r e s o l v e t h e d i f f i c u l t y o f l o w r e s i s t a n c e a nd s t r e n g t h o f g r o un d i n g r e s i s t a n c e r e d uc i n g ma t e r i a l i n a g r o u n d i n g e n g i n e e r i n g， f o c u s i ng o n a n a l y z i n g t he g r a p hi t e e l e c t r i c a l l y c o nd u c t i v e c o nc r e t e o f r e s i s t a n c e r e d u c t i o n prin c i pl e ， f u nd a me n t al f e a t u r e s s u c h a s c o r r o s i o n r e s i s t a n c e a n d l o n g e f f e c t i v e c ha r a c t e ris t i c s， a nd i t i s p r e p are d ． Eng i n e e r i ng a pp l i c a t i o n s h o w t ha t t h e g r a p hi t e e l e c t r i c a l l y c o n du c t i v e c o n c r e t e s a t i s f y r e s i s t a nc e r e d u c i ng ma t e rial a n d s t r uc t u r a l ma t e ria l of d o ub l e s t a nd ards ．As t h e g r a p hi t e e l e c t r i c all y c o n d uc t i v e c o n c r e t e i s a pp l i e d a n d s t e r e o g r a p hi c e a r t h i n g me s h i s f o r me d， t h e p o we r 一 ~e q ue nc y g r o u n di n g r e s i s t a n c e o f t h e g r o u n di n g d e v i c e s a r e l e s s t h a n 0 ． 51 1， a n d 28 d a y s c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i s 1 5． 1 MPa， s a t i s f y i n g t he r e q u i r e me nt s o f t h e s p e c i f i c at i o n s ． g r a p h i t e e l e c t r i c a l l y c o n d uc t i v e c o n c r e t e； g r o un d i n g r e s i s t a nc e r e d u c i ng ma t e ria l ； gro u ng i n g d e v i c e； p o we r~e q ue n c y e a r t hi n g r e s i s t a n c e 在某大型工程中 ， 为确保 电子设备 的安全稳定运行 ， 使 测 得 的数据准确 、 可靠 ， 要求 工频接地 电阻值在 1 n 以下 。但 工 程场所 为花 岗岩高 电阻率地 区 ， 电阻率在 5 0 0—5 0 0 0 Q m 范 围 ， 理论分析和 工程实践证 明 ， 在此 条件下 ， 单纯依 靠敷 设 接地 网很难达到接地 电阻设计 值” ， 因 此 ， 需要 采 取 工程 降 阻措施 。常用工程 降 阻措 施 主要 有增 大 接 地 网的 面积 、 引 外接地 、 使用 化学降 阻 剂 等 。受 工 程场所 及 自然条 件 的 限制 ， 直接增 大接地 网 面积 和 引外 接 地 的方式 来 降低 接 地 电阻均难 以实 现 。另 外接 地 装 置 区 域还 需 浇 筑 混凝 土 路 面 。综合 考虑 以上 因素 ， 研 究制 备 了 石墨 导 电混 凝土 作 为 降阻材料 ， 既满足 了接 地降阻要 求 ， 又满 足 了作 为结 构材 料 的特性 要求 。 1 导 电混凝土的降阻原理 工频接地 电阻 的大小 由以下 三种 电阻 ( 见 图 1 ) 构成 ] ： 收稿 日期 ： 2 0 1 1— 0 4— 0 5 作者简介 ： 樊晓苓 ( 1 9 6 2 ) ， 女 ， 新疆 人， 毕业 于新疆 农业大学 ， 大专 ， 高 级实验师 ， 主要从事工程材料的检验及研制。 3 0 1 ) 接地线及接地 电极 本身的电阻 ； 2 ) 接地极表面与之接触 的 土壤之间的接触 电阻 ； 3 ) 接地 电极周 围 土壤所具 有 的电 阻。 这三种因素 中 1 ) 是导体 ， 电阻非常 小 ， 所 以 1 ) 项 可不 考虑 ， 只要改善了 2 ) 、 3 ) 两项 ， 接地装置 的工频接地 电阻值也 就降 低 了。 接地线的电阻 ， ／ ， ／ ／ ／ ／ ， ／ ／ ／ ／ ／／ ／ 土壤电阻 图 1 构成接地电阻的要素 1 ． 1 使 用导 电混凝 土可以降低接触 电阻 导 电混凝土凝 固后 ， 粘 度增 强成 为凝胶 状 ， 就 可 以将 接 地极与土壤紧紧包裹起来 ， 从而大大 降低 了接地极 与土壤 表 第 3 8卷 樊晓苓 ， 等 ： 石 墨导电混凝土在接地工程 中的应 用 第 7期 面的接触 电阻 ， 起 到降低接 地电阻之功效。 1 ． 2 使 用导 电混凝土 可以降低接地 电阻 对 于单个接地体 ， 其工频接地 电阻值与其 在土壤 中的几 何 尺寸和土壤电阻率有关 ， 可 由下式表示 ： R = ． 1 n ( 1 ) 丌 式 中， 为接地 电阻 ， n； p为土壤 电阻 率 ， n I n ； z 为接 地极 埋在土壤 中的长度或 深孔 的深度 ， m； d为接 地极 的直径 ， m。 显然 ， 要 降低接地电 阻的数 值 ， 可降低 土壤 电阻率 和增 加接 地 极的几何尺寸 。导 电混凝土 的电阻率低 ， 与接地极裹 于一 体 ， 在改善土壤 电阻率 的 同时增大 了接地 极 的导 电尺寸 ， 从 而降低 了接地电阻。 当采 用 深 孔接 地 技 术 ， 形 成 立 体地 网时 ， 其 接 地 电阻 值 为 J ： R = ( 2 ) 二仃r 式 中， r 为立体地 网中的等 效球半 径 ， m 。 由于深孔接 地 中垂 直接地极穿透地下深层 中的各个 断面 ， 导 电混凝 土浆可 以渗 透到深层 的裂缝及 孔 隙中 ， 出现 树枝状 的延 伸体 ， 产生 树枝 效应 ( 通过土壤缝 隙而渗透的导电混凝土浆扩散很远 ) ， 多个 这样的单根接地极 有机 地并 联起来 ， 形成 半球 形 散流 的立 体 地网 ， 使其等效球 半径 增 大很多 ， 接地 装 置的工 频接 地 电 阻值也就随之减小 。 2石墨导 电混凝土 的基 本特性 2 ． 1 石 墨 导 电混 凝 土 的 配 比及 性 能 导 电混凝土是指 由胶凝材料 、 导电组分材 料和水等按 一 定配合 比组 成的多相复合材料 ， 是在普 通混凝 土中掺人适量 导 电组分材料 而形成 的一 种水泥 基功 能复合 材料 。导 电组 分 的掺入 ， 使普通混凝土 的电阻率 由 l 0 ～1 O 1 - ／ m范 围降 到 l 0 一 ～1 O Q m之 间 ， 变为电的 良导体 ， 并改 变了导 电 方式 ， 由离子导电转化 为 电子导 电 ， 同时又 保持 了混凝 土 的 和易性 、 抗 渗性 、 热工性 能 、 强度性 能、 变形性能 和耐久 性能 等特点 。经分析 比较 ， 选 用石 墨做 为导 电组分 ， 通 过精 选原 材料 ， 优化 配比制备导 电混凝 土 ， 配合 比及性 能测 试结 果见 表 1 、 表 2 。 表 1 石墨导电混凝土的配合 比( k g ／ m。 J 电阻率 3 ． 8 5 n m 标养 2 8 d时 的电阻率 抗压强度 1 5 ． 6 MP a 标养 2 8 d的抗压强度 年腐蚀速率0 ． 0 0 7 2 mm ／ a 腐蚀时 间2年 ( 自然失重 法) 2 ． 2 导 电混凝 土的抗腐蚀特 性 金属 接地体 的腐蚀 主要发 生在 电子导 电转 向离 子导 电 的界 面处 。由于导 电混凝 土不是 利用电解质 中离子导 电 ， 而 是将离子导 电转换 为电子 导电 ， 从而 消除了两种不 同导 电原 理的电荷交换界面 ， 就可以防止金属接地 体的腐蚀 。研 究证 明 ， 使用导 电混凝土 比不用它的土壤对接 地极 的腐蚀 速度要 小 ， 其 主要 原因是 ： 1 ) 氢离子浓度( 即酸性) 的影 响小。一般氢离子浓度愈 高， 使得钢铁在电介质 的溶液中所形成 的原 电池的电动势愈大 ， 引 起腐蚀电流增大， 又会使得腐蚀速度增大。如下式可知 】 ： E： ． ． 1 n[ ： ]： [ Q ： ： ] ( 3 ) 。 OH 一 式 中， R 为接地极 的直流 电阻 ， 为 时间 ， [ H“] 为氢离 子浓度 ， [ 0 ] 为氧离子浓度 。 混凝土 的酸碱 性增 大对 金属 电极 的腐蚀影 响不 同。一 般酸性 愈强 ， 腐蚀 愈快 ； 碱性 愈大 ， 则会对腐 蚀有 抑制作 用。 导 电混凝土为弱碱性 ， 所 以对 电极 的腐蚀速度很小 。 2 ) 氧离子对金属 的腐蚀 小。氧对 金属 的腐蚀 也是 非常 重要的 ， 由上式 同样 可以看 出氧 的影 响， 一 般的 土壤 中都较 为松 散 ， 透气性好 ， 接地极与土壤的接 触表面有很 多孔隙 ， 氧 气充 分 ， 必然加大腐蚀速度 ； 导 电混凝 土为凝胶状 态 ， 透气 性 很差 ， 对 电极 的包裹 又很 紧密 ， 因而 ， 使用导 电混凝土可 减少 对 电极 的腐蚀 。 为了更 为直观的观察石墨导电混凝 土的腐蚀 ， 将镀锌扁 钢分别埋入石 墨导电混 凝土和沙土 中， 对 比镀锌 扁钢在这两 种材料 中的腐蚀程 度 ， 埋置时 间为 2年 。图 2 、 图 3为镀锌扁 钢在石墨导 电混凝 土和沙土中的腐蚀情况。 图 2 镀 锌扁钢在导电混凝土 中的腐蚀情况 图 3 镀锌扁钢在沙土 中的腐蚀情况 由图 2 、 图 3可知 ， 埋人石墨导电混凝 土中的镀锌扁钢 ， 表 面光 滑， 镀锌层完好 ， 除个别 部位有轻 微的锈蚀 痕迹外 ， 没有 发现其表面有 明显的腐蚀斑痕 ， 而埋入沙土 中的镀锌 扁钢则 发生 了较为严重的腐蚀 ， 镀锌层被全部腐 蚀掉 ， 有可以剥落下 的金属氧化层 。由此可见 ， 石墨导 电混凝土对电极的腐蚀要远 远小于砂土对镀锌扁钢的腐蚀。因此 ， 使用石墨导 电混凝土能 够减少对接地极的腐蚀 ， 延长接地装置的使用寿命 。 2 ． 3导电混凝土的 长效特性 在 配制石 墨导电混凝土时 ， 加入 了与水硬性 凝胶材料 相 匹配 的膨胀 剂 ， 使导 电混凝 土在水化 过程 中产生 一定 的体 积 31 第 7期 樊 晓苓 ， 等 ： 石 墨导电混凝 土在接 地工程 中的应用 第 3 8卷 膨胀 和 自应力 ， 减少 了收缩裂缝 ， 提高 了粘聚性 ， 使其 与接地 极表 面和地层 紧密结 合 ， 同时不 会发 生龟 裂现象 ， 进而 达到 长期 、 稳定 的降 阻效果 。同时 ， 研究表 明 ， 石墨 导电混凝土在 干燥状态 时由于电子导电链的稳定性增 大 ， 其 电阻 率约为潮 湿状 态下 的 1 ／ 3 ， 具有 良好 的导 电性能 ， 特别适 合在 干旱 、 缺 水 和岩石 地区的接地工程 中使用 。 3工 程 应 用 接地工程场所位 于某 隧道 内 ， 属花 岗岩地 带 ， 土壤 电阻 率高 ， 质地 坚硬 ， 钻 孔 难度 较 大 ， 同 时 向下几 十 米仍 为 岩石 层 ， 无低 电阻率 土壤层 ， 若 采用 钻孔 的方式 将 接地极 放入 孔 内 ， 与水平 接地网连接形成立体 网， 再填充 降阻材料 ， 则施 工 难度大 、 效 率 比不 高。考虑 到工 程场 所空 间为拱 形结 构 ， 因 此 ， 在 此接 地工程中 ， 接地 装置采 用水 平 网 +侧 壁 网 +顶 部 网的布 网方式 ， 水平接地 网用降 阻材料铺敷 。接地装置 做法 如 图 4 、 图 5所示 ， 网状接地极 ( 水平 网、 侧壁 网和顶 部 网) 与 侧壁锚 杆采 用焊接方 式连 接 ， 共做 了 7组 ， 均 为独立接 地装 置 。水平接地 网的接 地极用石墨导 电混凝土包裹 ， 厚 度约为 1 5 c m， 形成混凝 土地 面 ， 供人员和车辆通行 。 - 4 O 4 镀锌扁钢 8 图 4 地坪 网接 地极 示意 图 5 侧壁 网 +顶部 网接地极示 意 为 评价 石墨 导 电混 凝 土 的 降 阻 效 果 ， 对 浇 筑 石 墨 导 电混凝 土前 后 各 接 地 装 置 的 工 频 接 地 电 阻 进 行 了 测 量 ， 结 果见 表 3 。 表 3工频接 地电阻测试结果对比 ＼＼接地装置 ＼ E 1 E 2 E 3 E 4 E 5 E 6 E 7 工频接 ＼＼ 唐 腰 ＼ 浇筑石墨导 0 ． 8 2 O ． 61 0 ． 4l O ． 7 2 1 ． 0 8 0 ． 6 9 0 ． 75 电混凝 土前／ n 浇筑石墨导 0 ． 3 7 0 ． 3 2 0 ． 1 8 0 ． 3 4 0 ． 4 7 0． 2 5 O ． 4 1 电混凝土后／ n 降阻效果／ ％ 5 4 ． 9 4 7 ． 5 5 6 ． 1 5 2 ． 8 5 6 ． 5 6 3 ． 8 4 5 ． 2 3 由表 3可知 ， 使 用石 墨导 电混凝 土有 明显 的降 阻效 果 。 降阻效果 大致在 4 5 ％ 一 6 3 ％之 间， 使得各接地装置的工频接 地 电阻均 达到了设计 值。 同时对浇 筑 的石 墨导 电混凝 土现 场取样 。 标养 2 8 d测试 抗强压 度 ， 结果 为 1 5 ． 1 MP a ， 满足路 面强度 的设计要求 。 4结论 某接地 工程采用 石墨 导电混凝 土作 为降阻材 料和结 构 材料 ， 使接地装置 的工频接地 电阻均不 大于 0 ． 5 Q， 达到了设 计指标 ， 同时也满足 了建筑路 面对 抗压强度 的要求 。石 墨导 电混凝土的降阻效果可以长期保持稳定 状态 ； 对接地极 的腐 蚀速度 比一般土壤慢 ， 可延 长接地 装置的使用寿命。 参考文献 [ 1 ] D L ／ T 5 0 9 1 一l 9 9 9 ． 水力发 电厂接地设计技术导则 [ S ] [ 2 ] 陈家斌 ． 接地技术与接地装置 [ M] ． 北京 ： 中国电力 出版社 ， 2 0 0 2 ， 3 2 2—3 2 5 [ 3 ] 川濑太郎 、 高桥健彦． 图解接地 技 [ M] ． 北京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 2 ． 41—4 2 [ 4] 王周安 ， 曾永林 ． 论立体地 网的设计 [ J ] ． 中国电力。 1 9 9 4， ( 4 ) [ 5] 曾永林 ． 接地技术 [ M] ． 北京 ： 水利电力出版社 ， 1 9 7 9 [ 6 ] We n S a n d C h u n g D． D ． L ． S e e b e c k E f f e c t i n C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t [ J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9， 2 9( 1 2 )： 1 9 8 9 — 1 9 9 3 ( 上接 第 2 2页) 2 ) 本文在基坑总的 出水 量不 变的前 提下对 深基坑 止水 帷幕 分别为 2 8 m( 实 际工况 ) 、 0 m 时 的情况 下基 坑降 水的 水头降深进行了模拟， 发现无帷幕时基坑内水头降深值约为 有帷幕时 的 4 6 ． 2 ％ 一5 9 ． 4 ％ ， 无 帷幕 时 基坑 外 水头 降 深值 约为有帷幕时 的 2 0 8 ． 2 ％ ～ 2 1 7 ． 6 ％ ， 说明在基坑总抽水量一 定 的情况下 ， 止水 帷幕既使 基坑 内水位 降深加 大 ， 又使 基坑 外水位降深减小 ， 满足基 坑开挖 条件 的同时 ， 也减 小 了降水 对周边环境 的影 响。 3 ) 本文针对悬挂帷幕 对基坑 降水 的影响程 度 问题 进行 了定量计算， 可为今后类似环境下地铁基坑降水的设计及施 32 工提供决策依据 。模拟计算 时认 为水 流介于承压／ 非承 压之 间 ， 简化了降水条件 ， 同时未考 虑井径 大小及 滤管 长度对 降 水 的影 响， 还需对水流边界条件和井做进一步处理 。 参考文献 [ 1 ] 冯 晓腊 ， 谢武军 ， 卢智强 ， 等． 悬挂式止水帷 幕对基坑降水 的影响 [ J ] ． 土工基础 ， 2 0 0 6， 2 0 ( 4 ) ： 3 3— 3 6 [ 2] 宋玉田 ， 魏茂雪 ， 齐永红． 深基 坑防渗帷 幕插入深 度的分 析[ J ] ． 山东水利 ， 2 0 0 3 ， ( 8 ) ： 4 1— 4 2 [ 3 ] 吴林高 ， 等． 工 程降水 设计施 工与基坑 渗流理 论 [ M] ． 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 3