Elektrické vlastnosti cementových kompozitů
Cement composites electrical characteristics
Stanovení elektrických vlastností je nedílnou součástí kompletního popisu stavebních materiálů. Znalost těchto materiálových parametrů je důležitá z hlediska bezpečnosti jejich aplikace v prostředích, kde je materiál vystaven působení elektrického pole. Článek sleduje vliv kovových drátků na konduktivitu u drátkobetonu.
Elektrická vodivost je důležitým materiálovým parametrem, definujícím schopnost materiálu vést elektrický proud. Hodnoty elektrické vodivosti jsou pro běžné betony velmi malé, a proto je lze považovat za izolátory. Přidáním drátků (vodivých komponentů) do betonu lze výrazně navýšit elektrickou vodivost ve srovnání s běžnými (nevodivými) betony. Předkládaný článek, za využití Ohmovy metody pro stanovení elektrického odporu, porovnává elektrickou vodivost u tří různých druhů betonu: referenčního betonu bez přidaných ocelových vláken a dvou drátkobetonů s rozdílnou hmotnostní koncentrací vláken.
Úvod
Stanovení elektrických vlastností je nedílnou součástí kompletního popisu stavebních materiálů. Znalost těchto materiálových parametrů je důležitá z hlediska bezpečnosti jejich aplikace v prostředích, kde je materiál vystaven působení elektrického pole. První ucelený přehled o elektrických vlastnostech cementových kompozitů byl publikován Hammondem a Robsonem [1], kteří stanovili rezistivitu betonových vzorků uložených ve vlhku (102 Ωm) a rezistivitu betonových vzorků vysušených při 105 °C (109 Ωm). Je zřejmé, že beton bez výztuže je velmi dobrý elektrický izolant. Elektrická rezistivita betonu se významně snižuje přidáním elektricky vodivé složky. Nejčastěji jsou z důvodu zlepšení pevnosti v tahu používána elektricky vodivá ocelová a uhlíková vlákna (SF, CF). Pokud je žádoucí snížit rezistivitu bez nutnosti zlepšení mechanických vlastností (např. self-monitoring, self-heating a intrinsic self-sensing betony), přidávají se i jiné substance: uhlíkové nanotrubičky (CNT), grafitový prášek (GP), uhlíkové saze (CB), práškový nikl (NP) atd. V určitých případech je žádoucí zvýšit pevnost v tahu (např. s použitím ocelových vláken), ale zachovat vysokou rezistivitu betonu. Typickým příkladem je návrh směsi pro betonové pražce, u nichž je zvýšená pevnost v tahu důležitá, zároveň však musí beton zůstat z důvodu správné funkce kolejového obvodu nevodivý. V článku je uvedeno srovnání elektrických vlastností referenčního betonu a dvou typů drátkobetonu z pohledu použitelnosti pro výrobu pražců.
Metody a měření
Konduktivita σ [S m−1] je jedním z elektrických parametrů popisujících schopnost materiálu vést elektrický proud [2]. Je definována jako převrácená hodnota rezistivity ρ [Ωm].
,
(1)
kterou je možné vyjádřit pomocí elektrického odporu R [Ω] a tvarového faktoru S/l [m] popisujícího geometrické uspořádání elektrického měření.
,
(2)
kde S [m2] je plocha elektrod a l [m] jejich vzdálenost.
Měření se skládalo ze dvou částí. První část se věnovala gravimetrickému stanovení objemové hmotnosti vzorků ve třech časových obdobích. V druhé části byla provedena elektrická měření, na jejichž základě byla stanovena konduktivita. Experiment byl proveden s využitím Ohmovy metody vhodné pro měření velkých odporů [2]. Elektrický obvod byl tvořen proměřovaným vzorkem v sérii s přesným mikroampérmetrem. Voltmetrem se měřilo vstupní napětí a mikroampérmetrem procházející proud. Konkrétní měření se provádělo přístrojem FLUKE 8846A 6 ½ Digit Precision MULTIMETR a z odečteného elektrického odporu a rozměrů vzorku byla následně stanovena konduktivita.
Materiály
Experiment byl proveden na třech typech vzorků [3], referenčního bez elektricky vodivých drátků, s 0,5 % obj. drátků a 1 % obj. drátků. Z těchto materiálů byly vyrobeny tři sady vzorků: krychle o hraně 150 mm, ½ krychle a ¼ krychle (Obr. 1, 2). Pro omezení vlivu přechodových odporů (elektroda-materiál) byla na přípravu elektrod použita vodivá uhlíková pasta opatřená přívodními drátky, na které se připojovalo potřebné napětí. Elektrody byly na vzorcích připraveny ve dvou variantách: ve směru hutnění a kolmo na směr hutnění. Protože bylo nutné zajistit vyloučení vlivu vlhkosti na měřenou konduktivitu, byla monitorována hmotnostní vlhkost po 21 a 28 dnech od výroby. Vzorky byly poté umístěny do sušárny a vysušeny při teplotě 110 °C. Hmotnost suchých vzorků byla stanovena po 35 dnech od výroby.
Obr. 1: Vzorek – krychle 150 mm, elektrody umístěny paralelně a kolmo na směr hutnění
Obr. 2: Vzorek – ¼ krychle, dvě varianty umístění elektrod kolmo na směr hutnění
Vzorky byly označeny následovně. Číslo charakterizuje tvar vzorku: 1 – krychle o hraně 150 mm, 2 – kvádr o rozměrech 150 × 150 × 72 mm, 3 – kvádr o rozměrech 150 × 150 × 40 mm. Písmeno označuje umístění elektrody: S – ve středu, R – v rohu, P – celá plocha. Směr hutnění se směrem toku proudu: ║ – rovnoběžně a ┴ – kolmo. Druhé číslo rozlišuje typ materiálu: 1 – prostý beton (referenční), 2 – drátkobeton s 0,5 % obj. drátků, 3 – drátkobeton s 1,0 % obj. drátků.
Výsledky
V Tab. 1 je uvedena gravimetricky stanovená objemová hmotnost ρV, kontrolní hodnoty vážení po 21 (m1), 28 (m2) a 35 (m3) dnech od výroby vzorků a hmotnostní obsah vlhkosti u [%] pro první dvě vážení. Poslední vážení bylo provedeno na vysušených vzorcích.
| Vzorek | m3 suchý vzorek [g] | ρV suchý vzorek [kg m−3] | m1 [g] | m2 [g] | u1 [%] | u2 [%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1-1 | 7798,1 | 2331,8 | 7956,8 | 7949,6 | 2,04 | 1,94 |
| 1-2 | 8038,2 | 2387,2 | 8182,5 | 8177,1 | 1,80 | 1,73 |
| 1-3 | 7931,6 | 2338,6 | 8064,9 | 8057,3 | 1,68 | 1,58 |
| 2-1 | 3761,0 | 2320,7 | 3854,5 | 3850,2 | 2,49 | 2,37 |
| 2-2 | 3801,1 | 2383,8 | 3879,3 | 3875,4 | 2,06 | 1,95 |
| 2-3 | 3915,1 | 2367,7 | 3927,9 | 3923,8 | 0,33 | 0,22 |
| 3-P-1 | 1801,3 | 2302,7 | 1855,6 | 1853,6 | 3,01 | 2,90 |
| 3-P-2 | 1725,8 | 2257,7 | 1778,9 | 1776,2 | 3,08 | 2,92 |
| 3-P-3 | 1883,2 | 2339,8 | 1935,7 | 1933,2 | 2,79 | 2,66 |
| 3-S-1 | 1796,0 | 2259,6 | 1850,6 | 1846,6 | 3,04 | 2,82 |
| 3-S-2 | 1812,5 | 2279,2 | 1865,1 | 1862,2 | 2,90 | 2,74 |
| 3-S-3 | 1843,8 | 2286,2 | 1946,3 | 1943,8 | 5,56 | 5,42 |
Tab. 2 obsahuje výsledky elektrických měření. Pro vzorky s hmotnostním obsahem vlhkosti u1 (naměřeno po 21 dnech od výroby vzorků) byl naměřen elektrický odpor R1 a zjištěna konduktivita σ1 [S m−1]. Vzorky označené indexem 2 byly proměřeny po 28 dnech od jejich výroby a poslední měření označené indexem 3 bylo provedeno na vysušených vzorcích po 35 dnech od výroby.
| Vzorek | u1 [%] | u2 [%] | R1 [MΩ] | R2 [MΩ] | R3 [MΩ] | σ1 [S m−1] | σ2 [S m−1] | σ3 [S m−1] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1-S║1 | 2,04 | 1,94 | 3,32 | 4,20 | 920,00 | 2,78E-05 | 2,20E-05 | 1,01E-07 |
| 1-S┴1 | 2,04 | 1,94 | 3,12 | 3,51 | 830,00 | 2,99E-05 | 2,65E-05 | 1,12E-07 |
| 1-R║1 | 2,04 | 1,94 | 3,34 | 4,02 | 1150,00 | 2,77E-05 | 2,30E-05 | 8,04E-08 |
| 1-R┴1 | 2,04 | 1,94 | 3,02 | 3,55 | 1100,00 | 3,08E-05 | 2,62E-05 | 8,47E-08 |
| 1-S║2 | 1,80 | 1,73 | 0,77 | 0,81 | 0,20 | 1,22E-04 | 1,17E-04 | 4,72E-04 |
| 1-S┴2 | 1,80 | 1,73 | 1,27 | 1,35 | 3,50 | 7,40E-05 | 6,94E-05 | 2,68E-05 |
| 1-R║2 | 1,80 | 1,73 | 0,86 | 0,96 | 0,27 | 1,10E-04 | 9,83E-05 | 3,50E-04 |
| 1-R┴2 | 1,80 | 1,73 | 2,53 | 2,60 | 7,50 | 3,71E-05 | 3,61E-05 | 1,25E-05 |
| 1-S║3 | 1,68 | 1,58 | 0,67 | 0,65 | 2,50 | 1,36E-04 | 1,40E-04 | 3,65E-05 |
| 1-S┴3 | 1,68 | 1,58 | 1,06 | 1,35 | 0,61 | 8,87E-05 | 6,94E-05 | 1,54E-04 |
| 1-R║3 | 1,68 | 1,58 | 0,46 | 0,33 | 0,17 | 2,01E-04 | 2,77E-04 | 5,37E-04 |
| 1-R┴3 | 1,68 | 1,58 | 0,76 | 0,67 | 0,39 | 1,24E-04 | 1,40E-04 | 2,40E-04 |
| 2-S┴1 | 2,49 | 2,37 | 1,51 | 2,40 | 515,00 | 3,03E-05 | 1,91E-05 | 8,90E-08 |
| 2-S┴2 | 2,06 | 1,95 | 1,48 | 1,66 | 465,00 | 3,07E-05 | 2,73E-05 | 9,76E-08 |
| 2-S┴3 | 0,33 | 0,22 | 0,61 | 0,75 | 0,13 | 7,21E-05 | 5,90E-05 | 3.40E-04 |
| 3-S┴1 | 3,04 | 2,82 | 1,68 | 1,15 | 337,00 | 1,31E-05 | 1,91E-05 | 6,53E-08 |
| 3-S┴2 | 2,90 | 2,74 | 0,51 | 0,44 | 5,47 | 4,24E-05 | 4,90E-05 | 3,94E-06 |
| 3-S┴3 | 5,56 | 5,42 | 0,25 | 0,25 | 4,10 | 8,69E-05 | 8,83E-05 | 5,38E-06 |
| 3-P┴1 | 3,01 | 2,90 | 1,81 | 2,14 | 3,18 | 1,65E-05 | 1,40E-05 | 9,42E-07 |
| 3-P┴2 | 3,08 | 2,92 | 0,76 | 0,79 | 3,82 | 3,88E-05 | 3,71E-05 | 7,68E-06 |
| 3-P┴3 | 2,79 | 2,66 | 0,71 | 0,65 | 1,78 | 4,07E-05 | 4,44E-05 | 1,62E-05 |
Pro lepší orientaci je na Obr. 3–8 znázorněná část výsledků ve sloupcových grafech.
Obr. 3: Konduktivita vzorků 1 s elektrodami na středu
Obr. 4: Konduktivita vzorků 1 s elektrodami v rohu
Obr. 5: Konduktivita vzorků 2 s elektrodami na středu
Obr. 6: Konduktivita vzorků 3 s elektrodami na středu
Obr. 7: Konduktivita vzorků 3 s elektrodami na bočních plochách
Obr. 8: Konduktivita vzorků 1-S┴2 v závislosti na obsahu vlhkosti
Diskuse
Všechna měření probíhala ve stejném smyslu a výsledky byly srovnatelné. Lze je nalézt v záznamech na katedře Materiálového inženýrství a chemie fakulty stavební ČVUT v Praze.
Ze všech výsledků je patrno, že konduktivita je nejmenší u referenčních vzorků (bez drátků – vzorky 1) a největší u vzorků s větším % obj. drátků (vzorky 3), což odpovídá předpokladům. Při měření se projevil vliv rozmístění drátků. Měření všech vzorků bylo zatíženo poměrně velkým rozptylem, na čemž se podílela i nehomogenita rozmístění drátků v objemu vzorků.
Vliv defektu v rozmístění drátků se projevil také při umístění elektrod na vzorcích. Lepších výsledků se dosahovalo při umístění elektrod ve středu vzorku, než v rozích, kde se projevil vliv nehomogenity elektrického pole při krajích. Viz Obr. 3–4.
Velikost elektrod a tloušťka vzorku (vzdálenost, kterou elektrický proud prochází) nepřinesly výrazné změny ve velikosti konduktivity. Viz Obr. 3–8.
Na Obr. 8 je znázorněna závislost konduktivity na vlhkosti. Konduktivita suchých vzorků byla podle předpokladů nižší než konduktivita vzorků částečně nasycených vodou.
Závěr
Uvedená měření v článku lze považovat za první sérii měření, která byla provedena na fakultě stavební, ČVUT v Praze, z důvodu snahy postoupit v aplikaci drátkobetonu pro železniční pražce.
Vzhledem k vyšším hmotnostním dávkám drátků, kterými lze splnit požadavky na charakteristiky drátkobetonu, byla navržena zkušební tělesa, na kterých proběhla uvedená měření.
Vliv kovových drátků na konduktivitu betonu je patrný. Naměřená hodnota konduktivity se v případě referenčních vzorků pohybovala v řádu 10−7, u vzorků 2 (0,5 % drátků) 10−6 a u vzorků 3 (1 % drátků) 10−5 až 10−4.
Vodivost drátkobetonu nemusí být záležitostí jen pro pražce, ale i pro další konstrukce, u kterých je tato charakteristika rozhodujícím parametrem. Z tohoto důvodu pokračují další série měření, které by měly dát komplexnější odpověď na problematiku vodivosti (hmotnostní koncentrace, stáří vzorku, vlhkost apod.).
Literatura
- [1] HAMMOND, E., ROBSON, T. D. Comparison of electrical properties of carious cements and concretes. The Engineer, London, 1955, s. 78–80 a 114–115.
- [2] TOMAN, J., SEMERÁK, P. Fyzikální praktikum, skripta ČVUT 2009.
- [3] RÁČEK, V., VODIČKA, J. Výroba drátkobetonu s hmotnostní dávkou drátků 70 kg/m3 s délkou 50 mm. Konstrukce. 2013, roč. 2013, č. 5/příloha, s. 23–29. ISSN 1213-8762
Electrical conductivity is an important material parameter defining the ability of material to conduct electric current. Its values for common concretes are very small, therefore they may be considered as insulators. However, conductive admixtures cause a significant increase of the electrical conductivity compared to a common non-conductive concretes. In this paper, Ohm’s method was used to determine the electrical resistance and to calculate and compare the electrical conductivity of three observed types of concrete: reference concrete without steel fibers and two mixtures with a given amount of steel fibers.