Токопроводящий бетон shotcrete

Содержание

Регулирование электрических характеристик бетона и перспективы его применения в строительстве

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.

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.

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

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.

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.

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.

Проводит ли бетон электрический ток

РазноеПроводит ли клей электричество

Проводит ли теплопроводный клей электрический ток?

Обычно нет. Тепло и электричество — разные вещи.

Для изоляции проводов нужно использовать изоляционные материалы, а не клей.

Теплопроводная паста а не клей. нет не проводит.

Ни клей, ни теплопроводная паста (даже серебристая) ток не проводят.

Не проводит, ибо синтетические материалы, входящие в его состав, являются диэлектриком!!!

Как сделать электропроводящий клей своими руками

Last updated Фев 4, 2018

Среди специалистов, связанных с электричеством, сегодня популярны токопроводящий лак, клей и прочие составы. Они применяются радиолюбителями при монтировании микросхем, в компьютерной промышленности, в производстве высокоточного оборудования, кораблестроении и в других отраслях.

Использование токопроводящего клея на микросхеме

Отличие токопроводящего клея от обычного

Основное отличие заключается в том, что состав токопроводящего клея предполагает наличие определенных компонентов, которые обеспечивают необходимый уровень электропроводности.

Из отличий можно выделить также:

  • более низкие прочностные показатели, чем у обычного;
  • в составе, как правило, содержится графит, металл или оба компонента в комплексе;
  • сфера применения имеет свою специфику;
  • стоимость таких составов несколько выше.

Бренды токопроводящего клея

Существует несколько производителей токопроводящего клея как за рубежом, так и отечественные, которые гарантируют высокие показатели электропроводности.

  1. Контактол. Вероятно, самый известный состав среди радиолюбителей. Токопроводящий клей контактол обладает высокой эластичностью, достаточной прочностью, изготавливается на основе серебра и быстро высыхает, что обеспечивает быстры и удобный монтаж. Купить токопроводящий клей этой марки можно в любом радиолюбительском магазине, однако, сами профессионалы в этой области отзываются о нем довольно плохо. Но есть и положительные отзывы.Контактол
  2. Элеконт. Токопроводящий клей, который пригодится каждому автовладельцу. Это эпоксидный состав. Отзывы о нем также не обнадеживают.Элеконт
  3. Done deal. Это зарубежный представитель этого вида клея. Токопроводящий клей done deal обладает повышенной надежностью и прочностью, что делает его лучшим, по сравнению с отечественными аналогами.Done Deal
  4. Homakoll. Довольно популярная марка токопроводящего клея, которая уже давно зарекомендовала себя на рынке. Используется крупными компаниями как клей электропроводящий для напольных покрытий с антистатическим действием.Homakoll
  5. Mastix. Эта компания представляет электропроводящий клей для ремонта подогрева заднего стекла. токопроводящий клей mastix считается одним из лучших в этом сегменте.Mastix
  6. ТПК-Э. Марка отличается своими техническими характеристиками. Такой клей будет функционировать в при самом широком диапазоне температур. От -190 до +200 °C. Используется на предприятиях.

Сделано своими руками

Многие начинающие радиолюбители задаются вопросом, как сделать токопроводящий клей своими руками. Здесь необходимо внести ясность в некоторые вопросы, которые новички задают чаще всего.

  1. Проводит ли ток клей момент? Это клей, который был разработан и представлен немецкой компанией Хенкель. Всего было создано 6 составов для различных целей, но ни один из них не проводит ток.
  2. Проводит ли супер клей электричество? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо обратиться к самому понятию электропроводящего материала. Супер клей не содержит компонентов, которые позволили бы назвать его электропроводным (графит, металлы), поэтому его показатели в этом плане практически не отличаются от пластмассы.
  3. Проводит ли эпоксидный клей электричество? Эпоксидная смола не проводит электрический ток по вышеуказанной причине.
  4. Можно ли ремонтировать при помощи такого клея провод высокого напряжения? Мастера не рекомендуют этого делать, так как это идет вразрез с правилами безопасности при работе с электричеством.
  5. Почему контактол не работает? В современное время появилось очень много подделок этого клея, поэтому лучше приобретать этот клей с гарантиями от производителя.
  6. Какой клей

FAQ-Bison

Склеивание и монтаж

Q: Существуют ли клея, которые могут быть использованы снаружи, когда температура воздуха ниже нуля?

A: Нет, большинство типов клеёв должны применяться, когда температура окружающего воздуха выше 5°С. Некоторые клея застывают при более высокой температуре.

Q: Правильно ли хранить клей в холодильнике?

A: Да, это так. Поскольку клей не застывает при температуре ниже 5°С, мы рекомендуем хранить его в холодильнике. Но мы не рекомендуем хранить клей в морозильной камере, так как некоторые виды клея содержат воду.

Q: Существуют ли клея для полипропилена (РР), полиэтилена (РЕ), полиамида (РА), фторопласта (PTFE)?

A: Нет, эти типы синтетических материалов не склеиваются. Как правило, они соединяются при высокой температуре в промышленных условиях.

Q: Что такое «пористые материалы»?

A: Пористые материалы могут впитывать влагу. Некоторые клея и герметики содержат воду. Если используется клей на водной основе, то хотябы одна из поверхностей должна быть пористой.

Примеры пористых материалов: гипсокартон, необработанная древесина, бетон, кирпич, бумага, картон, ДСП и т.д.

Примеры непористых материалов: металл, стекло, пенопласт, панели МДФ, загрунтованные древесина и бетон, синтетические материалы.

Q: Какой клей необходимо использовать для глиняных изделий, керамики и фарфора?

A: Лучший выбор — это двухкомпонентный эпоксидный клей Bison Epoxy 5 Minutes.

Если части прилегают друг к гругу идеально, то можно использовать суперклей Bison Super Glue, жидкий или в виде геля.

Тем не менее, эпоксидный клей обладает лучшей адгезией и большей водостойкостью, что позволяет мыть склеенные изделия водой, в том числе в посудомоечной машине.

Q: Проводит ли электричество клей Bison Epoxy Metal?

A: Нет, этот двухкомпонентный эпоксидный клей имеет серый цвет, но не проводит электричество.

Q: Как избавиться от пятен клея и его застывших остатков?

A: Если пятна свежие, то они удаляются водой или ацетоном, в зависимости от того, какова основа клея. Смотрите описание продукта. Застывший клей можно удалить только механически — отрезать, сошлифовать и т. д.

Герметизация

Q: Какой герметик необходимо использовать для натурального камня и деликатных материалов?

A: Bison Silicone Neutral и Bison Acrylic Universal нейтральные, не содержащие кислот герметики, которые не повредят деликатные материалы.

Q: Можно ли окрашивать силиконовый герметик?

A: Нет, силикон плохо плохо сочетается с другими материалами. Красить его нельзя.

Q: Можно ли окрашивать герметик для стекла?

A: Нет, в его основе лежит нейтральный силикон. С конструктивной точки зрения, это лучший герметик для стекла. Тем не менее, если вам необходимо окрасить такие швы, то Bison Super Sealer Construction будет хорошей альтернативой.

Q: Содержит ли Bison Poly Max® кислоты?

Q: На упаковке герметика написано, что он прозрачный, но из картриджа выходит белый продукт. Как это возможно?

A: Некоторые виды герметиков содержат влагу. Эти герметики становятся прозрачными только тогда, когда они высохли полностью. Имейте в виду, что если герметик используется между двух непористых материалов, или в условиях прохладной и сырой погоды, процесс высыхания может растянуться на несколько недель.

Q: Все ли типы герметиков дают усадку при высыхании?

A: Нет, только те герметики, которые содержат воду или органические растворители, могут давать усадку. Различные силиконовые герметики и Bison Poly Max® не дают усадку.

Q: Я использовал специальный силиконовый герметик для ванной комнаты, но он покрылся плесенью. Почему?

A: В герметики для ванных комнат специально добавляются вещества, борющиеся с плесенью. В результате, как правило, герметик может противостоять плесени в течение долгого времени.

Тем не менее, при плохой вентиляции и под действием моющих средств, остающихся на поверхности герметика, эти вещества испаряются.

В этом случае используйте удалитель плесени, либо замените герметик на новый.

— Частное предриятие «Стройбери» является эксклюзивным представителем компании BISON (Голландия) на территории Республики Беларусь.

•Оптовая продажа клеёв и герметиков BISON

Керамическая плитка и безопасность

Часто возникает вопрос о пожаробезопасности керамической плитки, и иногда даже спрашивают, не существует ли сертификата, подтверждающего такие свойства.

В отличие от других отделочных материалов (дерево, линолеум, обои и т.д.), керамическая плитка по своей природе является абсолютно негорючим материалом.

Она инертна в пламени и не подвергается разрушению при температурах, потенциально достигаемых при пожаре.

Пол или стена, покрытые плиткой, не разрушаются при контакте с пламенем, не поддерживают горение и не выделяют вредных веществ при высокой температуре.

Более того, с помощью экспериментов было установлено, что облицованная плиткой поверхность в случае пожара обеспечивает дополнительную защиту несущих конструкций здания и, соответственно, уменьшается риск разрушения.

Эти свойства керамики обусловлены в первую очередь применяемыми для её изготовления исходными материалами: песок, глины, полевой шпат, окиси металлов.

Кроме того, температура в печи, при которой происходит спекание плитки, составляет (в зависимости от технологии производства) от 850 до 1300°C, т.е.

превышает обычную температуру пожара.

Электрическая безопасность

Электропроводность материала — это его способность проводить электрический ток. Противоположной характеристикой является электрическое сопротивление. Материалы, обладающие повышенной сопротивляемостью, т.е. низкой проводимостью, составляют класс «электроизоляторы».

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.

 Электротехнические
материалы

Конструкционные материалы.

Эта лекция вмещает в себя весь материал традиционного материаловедения.

5.1. Общие свойства конструкционных материалов.

5.2. Конструкционные стали.

5.3. Цветные металлы и сплавы.

5.4. Бетон. Железобетон.

5.1. Общие свойства конструкционных материалов.

в начало лекции

Разработка конкретных узлов и устройств ставит ряд общих и специфических задач для используемых материалов. Во первых, они должны выполнять те функции, которые заложены в исходные требования. Во вторых, материалы должны выбираться более дешевыми с учетом трудоемкости обработки и предполагаемого ресурса работы. В третьих, материалоемкость изделия должна быть, по возможности минимальной. Для того, чтобы все эти требования обеспечить необходимо хорошо понимать свойства материалов.

Наиболее распространенными конструкционными материалами являются металлы, а из металлов — сталь. Она составляет примерно 80-85% от всего объема выпуска металлов. Это обусловлено как относительной распространенностью железа, так и технологичностью обработки сплавов на основе железа.

Относительно распространенности элементов можно сказать следующее. Как вы наверное знаете, наша вселенная появилась в результате Большого Взрыва. При этом, первыми образовались легкие элементы, сначала водород, затем из водорода путем термоядерной реакции слияния — гелий, затем литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород. В первых рядах — кремний, алюминий, магний и железо. А по распространенности в земной коре, самыми распространенными элементами являются кислород и кремний (75%) и железо (4%). С глобальной точки зрения — это материалы будущего.

Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из мелких кристаллов размером от 1 мм до 10 мкм. Они называются зернами, или кристаллитами.

Общие свойства металлов:

— высокая теплопроводность и электропроводность

— повышенная способность к пластической деформации

— хорошая отражательная способность (металлический блеск)
— положительный ТКС
— термоэлектронная эмиссия при нагреве.

Чистые металлы обладают низкой прочностью, они слишком пластичны и поэтому практически не используются. Обычно используют сплавы разных металлов, в качестве добавок используют и неметаллы. При этом компоненты могут смешиваться друг с другом на молекулярном уровне, т.е. взаимно растворяться друг в друге, а могут и не смешиваться образуя отдельные кристаллиты. В металловедении их называют фазами. Форма кристаллитов, их размер, взаимное расположение играет важную роль в создании тех свойств, которые требуются от материала. Каждый кристаллит представляет собой однородную систему со своей кристаллической структурой. Последняя образована ионами, образующими остов решетки и обобществленными электронами. Собственно говоря притяжением между электронами и ионным остовом решетки обязаны металлы своей прочностью. Большинство металлов имеют решетки следующих типов: кубическая объемно-центрированная, где ионы расположены по углам куба и один ион в центре куба, кубическая гранецентрированная, где 8 ионов расположены по углам куба и шесть ионов расположены по центрам сторон куба, гексагональная, где ионы расположены по углам шестигранной призмы и в центре плоскостей призм, а также три иона в центральной плоскости призмы. Если представить себе атомы шариками, то такие укладки шаров представляют собой структуры, близкие к плотной упаковке.

Если в идеальный кристалл ввести атомы другого типа, которые хорошо смешиваются друг с другом на молекулярном уровне (растворяются), то в ряде случаев образуются т.н. «твердые растворы». Введенные атомы в достаточно большом количестве, чтобы они были в окружении каждого атома -хозяина, но в недостаточном количестве, чтобы менять строение решетки, образуют твердый раствор. Бывают два типа твердых растворов: твердый раствор внедрения и твердый раствор замещения. В первом случае добавленные атомы находятся в междоузлиях решетки, а во втором случае — они замещают атомы в кристаллической решетке.

5.2. Конструкционные стали.

в начало лекции

Стали являются многокомпонентными системами на основе железа. В зависимости от добавок их свойства сильно меняются. Первой и основной добавкой к железу является углерод.

Температура плавления железа 1539 °С, плотность 7.68 Т/м3. Две основные модификации — a — железо и g — железо. Первая имеет объемно-центрированную решетку и существует в интервале температур до 910 °С и после 1392 °С. До температуры 768 °С эта модификация ферромагнитна. В промежуточном диапазоне существует g-железо, у которого решетка гранецентрированная. Эта структура парамагнитна.

Температура плавления углерода 3500 °С, плотность 2.5 Т/м3. Углерод растворим в железе в твердом и жидком состоянии, также может образовывать химическое соединение цементит, при больших концентрациях может существовать в виде графита.

Основные структуры системы Fe-C

— твердый раствор углерода в a — железе с растворимостью всего 0.02 %, атом углерода помещается в центре грани решетки. Эта структура называется феррит.

— твердый раствор углерода в g — железе с растворимостью 2.14 %, атом углерода помещается в центре куба. Эта структура называется аустенит. Отличается высокой пластичностью.

— Цементит — соединение Fe3C. Здесь 6.67% углерода. До температуры 210 °С цементит ферромагнитен. Отличается высокой твердостью.

Кроме того, в качестве особой фазы может существовать графит, и в качестве эвтектической структуры (смеси двух структур) — ледебурит. Он представляет собой структуру, состоящую из пластин цементита, проросших древовидными (дендритами) структурами кристаллов аустенита.

Сплавы с содержанием углерода до 2.14 % называются сталью, а выше 2.14 % — чугуном. Сталь не содержит ледебурита, поэтому она пластична, ковка и т.п. Чугун в силу своего строения не поддается ковке, зато обладает лучшими литейными качествами, меньшей усадкой, более низкой температурой плавления.(около 1000 °С). Аустенит при охлаждении ниже примерно 700 °С может превратиться в перлит — пластинчатые, чередующиеся структуры феррита и цементита.

При очень медленном охлаждении расплава цементит не образуется, а вместо него образуются графит + аустенит при температуре 700-1200 °С и графит + феррит при температуре ниже 700 °С. Выдерживание сплава при повышенных температурах также приводит к распаду цементита на графит и второй твердый раствор (феррит или аустенит).

Влияние различных добавок на сталь.

1. Чем больше углерода, тем более хрупкая, менее вязкая, менее пластичная, поначалу более прочная, затем менее прочная. Растет удельное сопротивление, коэрцитивная сила, падает плотность, теплопроводность, магнитная проницаемость.

2. Содержание кремния и марганца. Их добавляют при выплавке для удаления окислов железа. Оставаясь в стали кремний повышает предел текучести, что затрудняет например штамповку. Марганец повышает прочность.

3. . Сера является естественной вредной примесью в металле. Она образует FeS, которые нарушают контактирование зерен между собой. При этом ухудшаются коррозионная стойкость, трещиностойкость, свариваемость.

4. Фосфор также является вредной примесью. Он частично растворяется в стали, частично собирается на границах зерен. Поэтому уменьшаются пластичность, вязкость, трещиностойкость.

5. Содержание азота, кислорода и водорода. Образование оксидов и нитридов происходит, в основном на границах зерен. Поэтому они способствуют хрупкому разрушению. Особенно опасен водород, что приводит к водородной хрупкости стали.

Легирующие добавки. Обычно это никель, марганец. Как правило они повышают предел текучести стали, причем они способствуют стабильности аустенита в низкотемпературной области. Из него делают нержавеющие стали. Отметим, что нержавеющая сталь действительно парамагнитна, как и должно быть у аустенита.

Если в феррите увеличить содержание углерода, например путем быстрого охлаждения аустенита, то получится мартенсит — пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в феррите. Он отличается высокой твердостью и прочностью.

Рассмотрим наиболее популярные марки стали.

Стали обыкновенного качества: Ст.0, Ст.1, Ст.2, Ст.3, Ст.4, Ст.5, Ст.6.

С ростом номера растет содержание углерода от 0.06% до 0.4-0.5%, во всех сталях содержится марганец (0.2-0.7%), кроме Ст.0. В названии присутствуют знаки «сп», «пс», «кп», означающие «спокойная», «полуспокойная» и «кипящая». Фактически различаются разным количеством FeO, который взаимодействует с углеродом, образуя СО, который, в свою очередь, выделяется в виде пузырьков газа. Уменьшают содержание FeO, добавляя раскислители, взаимодействующие с FeO и уменьшающие, тем самым, его количество. Эти вещества — ферромарганец, ферросилиций и алюминий. Прочность обычных сталей порядка sв»400 Мпа, s0.2″200 Мпа, удлинение до разрыва d»20%.

В качественных сталях Ст.08, Ст.10, Ст.15, Ст.20 ,……, Ст.85 цифры означают содержание углерода в сотых долях процента. В них более строгие ограничения на содержание фосфора, серы и других неметаллических включений. Содержание углерода принципиально меняет свойства сталей. Низкоуглеродистые обладают низкой прочностью, низкой упругостью, зато высокой пластичностью и большим удлинением до разрыва, хорошей свариваемостью. Применяют для штамповки, сварки ответственных узлов и т.п. Высокоуглеродистые стали обладают повышенной прочностью sв>700 Мпа, износоустойчивостью, упругостью. Применяют для изготовления рессор, пружин и т.п.

Легированные стали отличаются добавкой легирующих элементов: А-азот, Г-марганец, Н-никель, С-кремний, Т-титан, Х-хром, Ю-алюминий. Цифры в начале названия означают содержание углерода в сотых долях процента, цифры после букв означают содержание легирующего элемента в процентах. Например в популярной марке нержавеющей стали 12Х18Н10Т содержится 0.12% углерода, 18% хрома, 10% никеля и 1 % титана. В зависимости от добавок можно резко усилить те или иные свойства стали.

Специальные стали с магнитными свойствами основаны на установлении структуры феррита, либо мартенсита. Чистые ферритные низкоуглеродистые, легированные кремнием стали являются прекрасными магнитно-мягкими материалами для трансформаторов. Мартенситные сплавы с большим содержанием углерода (1%), легированные кобальтом и хромом образуют семейство магнитотвердых материалов для магнитов.

5.3. Цветные металлы и сплавы.

в начало лекции

Наиболее распространенными из цветных металлов являются медь, алюминий, олово, титан, а также тугоплавкие металлы молибден и вольфрам. По механическим характеристикам, как конструкционные материалы, цветные металлы, как правило, уступают сталям. Кроме того, они более редки и дороги. Поэтому применяются они там, где нужны особые характеристики. Например вес конструкций, коррозионная стойкость, электропроводность, пластичность и т.п..

Для самолетостроения, судостроения, космической техники используют сплавы алюминия и титана. Алюминиевые сплавы имеют характерную прочность примерно на уровне рядовых сталей sв ~ 300 МПа, при этом удельный вес (плотность) примерно в три раза меньше d ~2.7 Т/м3, против 7.9 Т/м3 у железа. Можно выделить две основные группы сплавов алюминия: «дуралюмин», представляющий собой сплав алюминия, меди и магния и «силумин», представляющий собой сплав алюминия с кремнием, с добавкой магния и марганца. Первые являются деформируемыми прочными сплавами, пригодными для штамповки и используемыми для изготовления листов, профилей и т.п. Один из популярных сплавов Д16 имеет временную прочность 540 МПа, удлинение до разрыва 11%. Силумины пригодны только для литья, т.к. они достаточно текучи, обладают малой усадкой и не образуют горячих трещин. Прочность их невелика sв~200 МПа, удлинение до разрыва 2-4%.

Вторые по значению — сплавы меди, а именно латуни и бронзы. Латунь является сплавом меди с цинком. Обычно для деформируемых латуней в марке, после буквы Л следует цифра, означающая процент меди. Например латунь Л63 содержит 63% меди. Если еще есть буквы и цифры — это означает наличие и содержание легирующих элементов. Из деформируемых латуней делают листы, ленты, трубы, проволоку. Один из сплавов ЛЖМц59-1-1 имеет временную прочность до 700 МПа, удлинение до разрыва 50%.

Бронзы являются сплавами со многими другими компонентами. Обычно это олово, алюминий, кремний, цинк. Они коррозионно стойки, прочны, имеют высокие технологические характеристики. Ряд бронз обладает высокой упругостью и используется для изготовления пружин. Свинцовые бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами и используются в подшипниках.

5.4. Бетон. Железобетон.

в начало лекции

Бетон представляет собой композицию, составленную из затвердевшей смеси цемента, заполнителя, воды. Он является искусственным каменным материалом. Основное достоинство, как конструкционного материала — его дешевизна. Бетоны бывают разными, в зависимости от типов компонентов: малопористые, крупнопористые, ячеистые (по структуре заполнителя), крупнозернистые и мелкозернистые, естественные и автоклавные и т.д. Марка бетона обычно называется по прочности на осевое сжатие, например М400 означает прочность на сжатие 400 кГ/см2 (40 МПа). На растяжение прочность бетона обычно в 10-20 раз меньше. На изгиб тоже малая прочность, примерно в 5-10 раз меньше чем прочность на сжатие. Это не удивительно, ведь при изгибе одна часть испытывает сжатие, а вторая растяжение. Тот факт, что бетон практически не имеет прочности на растяжение сильно уменьшает возможности его использования. Чтобы выйти из положения и заставить работать конструкции на основе бетона на растяжение, придумали использовать армированный бетон, причем в арматуре предварительно создают натяжение при твердении. После затвердевания такая бетонная конструкция способна выдерживать и растягивающие напряжения, ведь на самом деле бетон здесь оказывается сжатым и при растягивающих нагрузках в нем лишь уменьшается давление.

Электрические свойства бетонов. Обыкновенный бетон является слабопроводящим материалом. В основном его проводимость определяется содержанием влаги. Увлажненный бетон может иметь электропроводность на уровне 10-3 См/м, сухой бетон до 10-8 См/м. Введение специальных электропроводящих добавок (сажа, кокс) позволяет получить проводимость до 10 См/м. Диэлектрическая проницаемость сильно зависит от типа заполнителя. Обыкновенный бетон имеет e ~ 5-6, добавки порошка сегнетокерамики могут поднять ее до 50-60. В энергетике бетон используется и как конструкционный материал (в большей степени), и как диэлектрический материал, и как электропроводный материал.

Трудно сказать, наступит ли когда-нибудь день, когда можно будет с полной уверенностью сказать, что строительные технологии достигли абсолютного совершенства и больше ничего нового придумать нельзя. Вряд ли, потому что чем больше развивается человечество, тем более высокие требования оно предъявляет к своему жилью. Оно должно быть надёжным, безопасным, быстровозводимым и недорогим. В этом направлении постоянно ведутся исследования, которые касаются не только жилья, но и всей инфраструктуры: коммуникаций, дорог и прочих сопутствующих конструкций. На этом рынке появился новый материал с совершенно фантастическими свойствами. В этой статье от Housechief.ru пойдёт речь о том, что такое токопроводящий бетон Shot Crete и где его можно будет применять.

Бетон – строительный материал, который обладает многими достоинствами. Возможность контролирования его токопроводимости – непростая задача, решение которой может дать дополнительные преимущества

Исследования в области электрических характеристик бетона

До сих пор предметное изучение электрических свойств бетона не было такой важной задачей. Ею интересовались разве что в НИИ, так как практического применения этих знаний не было. Но наконец нашлись исследователи, которые перешли от теории к практике и нашли возможность не только изменять токопроводимость бетонных смесей, но и применять их новые свойства. В этом плане можно выделить два основных направления:

  • создание электроизоляционных бетонных смесей с повышенным удельным электросопротивлением, минимальными диэлектрическими потерями и проницаемостью;
  • разработки в области токопроводящих бетонов, имеющих стабильные электрические характеристики при любых условиях эксплуатации, в том числе – неблагоприятных.

Нужно признать, что исследователям не сразу далось добиться каких-то значимых результатов.

Главная причина многочисленных провалов – нестабильность электрических параметров бетонных смесей и сложности в их регулировке

В обычных условиях эксплуатации бетон проводит ток, но контролировать, а тем более управлять этим процессом невозможно, а кроме того, это свойство плохо сказывается на состоянии железобетонных сооружений, так как вызывает в них электрическую коррозию.

На электропроводность обычной бетонной смеси значительно влияет влажность окружающей среды и перепады температуры

Как можно регулировать электропроводимость бетонных смесей

Способы воздействия на бетонные конструкции с целью контроля электропроводимости могут быть различными. Основное направление исследований – изоляция бетона от окружающей его влаги. К примеру, французы добавили в тело бетонной конструкции битумную эмульсию, которая защищает её от воды. Или другой вариант – сушка и наружная гидроизоляция.

Гидроизоляцию применяют в бетонных токоограничивающих реакторах

Ещё одно направление – использование пластобетонных конструкций, имеющих пластиковую связку и эпоксидную смолу в составе.

Другое направление исследований, которое изучает токопроводящие бетоны, развивается в направлении создания композитных материалов со свойствами электропроводника. Итог экспериментов – создание токопроводящего бетона – бетэла.

Что представляет собой токопроводящий бетон Shot Crete

Учёные университете Небраски продемонстрировали любопытную новинку – токопроводящий бетон Shot Crete, который способен не только отражать, но и поглощать электромагнитное излучение. Причём его способности распространяются не только на искусственные источники электромагнитного излучения, но и на естественные.

Такого результата удалось добиться благодаря особой добавке – магнетиту.

Этот минерал природного происхождения имеет свойство накапливать электромагнитное излучение

Чтобы усилить эффект, в смесь кроме магнетита добавили металлическую и углеродную стружку.

Практическое применение токопроводящнго бетона

Основное применение для таких материалов – строительство дорог и тротуаров. С помощью токопроводящего бетона в будущем будут строить взлётно-посадочные полосы аэропортов.

Shot Crete будет без помощи человека бороться с обледенением трассы. Даже при самых неблагоприятных погодных условиях термоасфальт будет растапливать ледяную корку без применения каких-либо реагентов.

В итоге использование подобных смесей значительно удешевит расходы на обслуживание дорог

Уже есть практический пример: недалеко от города Линкольн построен экспериментальный мост из 52 бетонных плит Shot Crete, и уже много лет проблем с наледью на этом мосту нет.

В жилищном строительстве Shot Crete тоже может найти практическое применение: его отражающие свойства способны защитить электронику внутри дома от внешнего электромагнитного импульса.

Для защиты этот бетон распыляют на стены, так что можно использовать его на уже готовых конструкциях