بتن رسانای الکتریکی

سنگدانه کربن‌دار جدید موثرتر از پودر کربن است زیرا نسبت‌های بیش ازحد آب-سیمان را ایجاد نمی‌کند.

در طی سال‌ها کسب درجات مختلفی از موفقیت، تلاش‌هایی در طراحی مخلوط‌های بتنی توانا در هدایت برق برای کاربردهای مختلف مد نظر قرار گرفته است:

• سیستم اتصال به زمین

• حفاظت در برابر رعد و برق

• حذف الکتریسیته ساکن

• گرمایش محیط

• غربالگریی تداخل فرکانس رادیویی

اصطلاح بتن مورد استفاده نه تنها شامل بتن و ملات ساخته شده از سیمان معمولی پرتلند است بلکه همه موارد ساخته شده با پلی‌استر یا اپوکسی را نیز در برمی‌گیرد.

مقاومت ویژه الکتریکی بتن

مشکلات زیادی در طراحی بتن رسانا وجود دارد. ویژگی‌های الکتریکی محصول نهایی باید بدون کاهش خواص مکانیکی برای کاربرد خاص مناسب باشد.

خواص الکتریکی بتن‌های رزینی در انتهای این مقاله مورد بحث و بررسی قرار خواهند گرفت. مشکل اصلی در بتن رسانا با سیمان پرتلند در بدست آوردن خواص پایداری الکتریکی در این واقعیت نهفته است که برق می‌تواند هم با حرکت یون‌ها در الکترولیت‌ها و هم با حرکت الکترون‌ها در فلزات و نیمه‌هاد‌ها جریان یابد.

بتن کاملا خشک که از سیمان و سنگدانه‌های طبیعی مانند شن و ماسه، ذرات سنگی تهیه می‌شود، دارای مقاومت الکتریکی بسیار بالا است و می‌توان آنرا به عنوان یک عایق برای مقاصد عملی در نظر گرفت. اما در حالت مرطوب، بتن شامل الکترولیتی است که عبور جریان را ممکن می‌سازد. این الکترولیت از ترکیبات شیمیایی رسانای محلول در آب ساخته شده است که از پودر حل شده در سیمان تشکیل شده و در آب مخلوط یا رطوبت جذب شده وجود دارند.

مقاومت ویژه اولیه بتن تازه خمیریشکل، با مقدار نمک حل شده موجود، درجه حرارت جرم و نسبت آب به سیمان تعیین می‌گردد.

مقادیر متغیر از 600 تا 3000 Ω-cm در بتن ساخته شده از سیمان پرتلند (OPC، شبیه سیمان ASIM نوع I) در نسبت آب – سیمان 0.6 تا 0.35 ثبت شده‌اند. همان‌گونه که اصطلاح اشاره دارد، 1 اهم سانتی‌متر، مقاومت وجه‌های روبرو در یک مکعب 1 سانتی‌متری از ماده است.

تغییرات مقاومت ویژه

بلافاصله پس از فشرده شدن مخلوط و قرار گرفتن آن در حالت دست‌نخورده، تغییرات بیشتری در مقاومت ویژه رخ می‌دهد. که مهم‌ترین آن‌ها، کاهش قابل توجه در ساعات اولیه است که افزایش تدریجی تا یک مقدار غیرقابل پیش‌بینی را به دنبال دارد. شکل 1، یک نمونه از این پدیده را که در هر دو مخلوط بتن رسانا و معمولی رخ می‌دهد، نشان می‌دهد. علت این تغییرات، به طور کامل مشخص نیست، اما تصور می‌شود که به دلیل بروز تغییرات در غلظت یون در مدت زمان هیدراسیون سیمان رخ می‌دهد.

مقاومت ویژه توده با زمان، افزایش می‌یابد و در نهایت در مقداری ثابت می‌شود که این مقدار به محیط قرار گرفتن بتن بستگی دارد. اگر در یک خاک مرطوب دفن شود، دارای مقدار 3000-8000 Ω-cm است. اگر در معرض درجه حرارت بالا و شرایط رطوبتی پایین قرار گیرد، می‌تواند به مقدار 2000000 Ω-cm یا حتی بیشتر هم برسد.

اگرچه می‌توان گفت که مخلوط‌های بتن معمولی، رسانای برق هستند، واضح است که مخلوطی با یک مقدار حداقل، در حدود 500 Ω-cm که با گذشت زمان تمایل دارد با ضریب 4000 افزایش یابد، کاملاً برای هر کاربرد ذکر شده در بالا نامناسب است. بنابراین، اتصال کوتاه کردن مقاومت ویژه الکترولیت ضروری است. این عمل را می‌توان با معرفی موادی انجام داد که تولیدکننده زنجیره‌هایی از ذرات بهم پیوسته در ماتریس بتن بوده و با حرکت الکترون‌ها عمل هدایت را انجام می‌دهند.

مقاومت ویژه فلزات در مقایسه با الکترولیت‌ها، بسیار کم است. به عنوان مثال، مقاومت ویژه مس و آهن به ترتیب در حدود 0.0000017 Ω-cm و 0.0000097 Ω-cm می‌باشد. بنابراین، به نظر می‌رسد که حضور مقادیر اندکی از فلزات به صورت براده (دانه‌بندی، ذرات خُرد یا تراشه)، گلوله یا شن موجب رسانا شدن بتن می‌گردند.

لایه (قشر) اکسیدی

به خوبی قابل تشخیص است که دوغاب سیمان بسیار قلیایی است و به بعضی از فلزات مانند آلومینیوم، آلیاژهای آلومینیوم، رُوی، آلیاژهای مبتنی بر رُوی، آسیب می‌رساند. بنابراین این فلزات برای قرار رگفتن در بتن مناسب نیستند. فلزات آهنی، انتخاب قطعی برای استفاده در بتن هستند، اما بتن موجب غیر فعال شدن آن‌ها در برابر خوردگی (رویینگی) شده و این امر موجب شکل‌گیری لایه اکسید بر روی سطح فلز می‌گردد. مقاومت ویژه این لایه اکسید بسیار بالاتر از فلز پایه است و علاوه بر این، عر قطعه از فلز توسط مخلوط سیمان- مواد سنگی احاطه شده است. نتیجه، تشکیل آرایش الکتریکی پیچیده سری-موازی از مسیرهای رسانای یونی و الکترونی است.

در ابتدا، مقاومت ویژه کمتر از بتن معمولی است، اما در طول هیدراتاسیون از مراحل شرح داده در بالا تبعیت خواهد کرد و در نهایت در مقداری ثابت می‌شود که براساس محیطی که در آن قرار گرفته و مقدار فلز موجود در مخلوط تعیین می‌گردد. این تغییرات را می‌توان با قرار دادن دو قطعه از فولاد روشن در مجاورت یک توده بتن تازه ساخته شده و بررسی اجمالی مقاومت بین آن‌ها، به راحتی مشاهده نمود.

مشکلات شکل‌گیری لایه اکسیدی را می‌توان با استفاده از مواد رسانا تاثیرناپذیر از دوغاب سیمان برطرف نمود. کربن، متداول‌ترین عنصر مورد استفاده است که به راحتی قابل تهیه بوده و نسیتاً ارزان می‌باشد. چند نمونه تجاری از کربن آمورف بسیار ریز در قالب دوده استیلن، دوده کربن، دوده لامپبه طور عمده در تولید محصولات لاستیکی، جوهر، رنگ‌های نقاشی و پلاستیک‌های خاص بکار برده می‌شوند. با این وجود، این مواد تاثیر نامطلوی بر نسبت آب-سیمان و در نتیجه بر استحکام و انقباض می‌گذارد.

تقاضای آب بیشتر

شکل 2، رابطه بین استحکام فشاری و نسبت‌های آب-سیمان در بتن 7 و 28 روزه با کارایی متوسط و ساخته شده از OPC را نشان می‌دهد. اگر هر یک از اَشکال کربنی شرح داده در بالا در مخلوط بتن در نظر گرفته شده باشند، با کاهش قابل ملاحظه‌‌ی کارآیی مواجه خواهیم شد که باید با اضافه کردن آب بیشتر برطرف گردد. به عنوان نمونه، ترکیبی متشکل از 100 قسمت مواد سنگی، 25 قسمت سیمان و 5 قسمت دوده استیلن بر حسب وزن، به 40 قسمت آب بر حسب وزن نیاز دارد تا به کارآیی مناسبی دست یابد.  این مقدار معادل نسبت 1.6 آب-سیمان است. با مراجعه به شکل 2، می‌توان دریافت که چنین ترکیبی از استحکام فشاری بسیار کمی برخوردار است. کاهش مقدار کربن، مقاومت مسیر الکترون را افزایش داده و در نتیجه، بی‌ثباتی ذاتی مقاومت مسیر یونی چیره خواهد شد.

 

عوامل متغیر زیادی در تولید بتن رسانا در دو روش گفته دخیل هستند و همان‌گونه که انتظار می‌رود، بررسی خاص محدوده مقاومت‌های ویژه در این مقاله امکان‌پذیر نیست. اگرچه امکان طراحی ترکیبات رضایت‌بخش وجود دارد، اما تحقیقات گسترده نویسنده در دسترسی به موادی با مقاومت ویژه کم و پایدار برای استفاده در سیستم زمین، حفاظت صاعق، گرمایش و غربالگریی فرکانس رادیویی با شکست مواجه شده است.

افزایش رسانایی بدون جریمه استحکام

استفاده از سنگدانه رسانا در مکان سنگدانه‌های معمولی، یک مفهوم کاملا متفاوت است. چنین سنگدانه‌هایی باید دارای مقاومت ویژه کم، استحکام مکانیکی کافی، درجه‌بندی مناسب ذرات، مقادیر کم سولفات و کلرید، بی‌اثری شیمیایی در دما و فشار معمولی، مقدار PH بالاتر از 7 و جذب پایین آب باشند.

گرافیت یک ماده محتمل است، اما تنها با برخی از الزانات مطابقت دارد. سه دلیل برای عدم استفاده از آن عبارتند از: قیمت آن بالا است؛ در هر لحظه، دسترسی به آن به صورت سنگدانه در اندازه مورد نیاز وجود ندارد؛ مقاومت الکتریکی پایین بتن ساخته شده با آن، ناکافی است.

سنگدانه با قیمت پایین‌تر

مهندسین شرکت ما، سنگدانه‌ای کربن‌دار تولید کرده‌اند که نه تنها الزامات را برآوره می‌سازد، بلکه بسیار ارزان‌تر از گرافیت می‌باشد. نمونه نسبت‌های مخلوط و استحکام فشاری سه ترکیب در جدول دیده می‌شوند. استحکامات اندازه‌گیری شده در مقیاس مکعب، در 7 روز و با توجه به استاندارد بریتانیا BS 1881:1970 آزمایش شده‌اند. می‌توان دید که Mix 8380 (نسبت 2:1 سنگدانه –سیمان برحسب وزن، نسبت 0.58 آب-سیمان) با استحکام فشاری 3500 psi، بهتر از مقادیر نمونه‌ای ارائه شده در شکل 2 برای بتن معمولی با نسبت برابر آب-سیمان است.

سنگدانه‌ کربن‌دار یک توده کم وزن با چگالی ظاهری غیر متراکم 50 پوند رد هر فوت مکعب و در اهداف ارزیابی کیفیت دارای تراکم ظاهری فشرده 60 پوندی در هر فوت مکعب می‌باشد. سه آزمایش بزرگ، نشان دادند که نسبت وزنی 2:1 سنگدانه کربه‌دار به OPC در اکثر کاربردها مناسب است. برای حداقل‌سازی نیاز به کنترل کیفیت، سنگدانه در بسته‌های 55 پوندی، 47 پوندی و 44 پوندی بسته‌بندی شده‌اند که از حجم برابر و نصف وزن بسته‌های استاندارد OPC در بازار بریتانیا برخوردارند.

مواد غیر اصلی در سنگدانه دارای حداقل مقدار هستند. تحلیل نمونه‌ها عبارتند از: PH (در تعلیق 10 درصدی): 7.1؛ کلرید (cl): 0.25%؛ سولفات (SO3): 0.01%؛ مواد فرّار: 0.03% و خاکستر: 0.2%.

 

جدول: نسبت‌های مخلوط و استحکام فشاری مخلوط ساخته شده از سنگدانه کربن‌دار

استحکام فشاری 7 روزه		نسبت آب-سیمان		نسبت سنگدانه به سیمان برحسب وزن	وزن مجموعه		مواد	شماره مخلوط
مگاپاسکال	psi	آب کل	آب آزاد		کیلوگرم	پوند
					0.485	1.07	OPC	8373
8.2	1190	0.79	0.34	3	1.450	3.20	سنگدانه کربن‌دار
					0.385	0.85	آب
					0.550	1.21	OPC	8372
16.7	2420	0.69	0.31	2.5	1.380	3.04	سنگدانه کربن‌دار
					0.380	0.84	آب
					0.645	1.42	OPC	8380
24.1	3500	0.58	0.29	2	1.290	2.84	سنگدانه کربن‌دار
					0.375	0.83	آب

 

رطوبت آزاد

برخلاف سنگدانه‌های معمولی، جذب آب در سنگدانه کربت‌دار آنی است و در یک سطح خشک در حدود 15% برحسب وزن می‌باشد. به طور معمول، قبل از مخلوط شدن مقدار سنگدانه در یک سطح رطوبت-آزاد کمتر از 2% است که این امر کنترل نسبت آب-سیمان را در زمان طراحی برای استحکام فشاری اسان‌تر می‌سازد. با این وجود، باید توجه داشت که جذب 15% آب، اندکی موجب کاهش کارآیی در یک نسبت تعیین شده آب-سیمان می‌شود و به نظر می‌رسد که این مخلوط سفت‌تر از بتن معمولی باشد. بنابراین توصیه می‌شود که قبل از در نظر گرفتن مقادیر زیاد، آزمایشات لازم انجام شوند.

در مواردی که مرطوب کردن سنگدانه قبل از اضافه کردن سیمان مدنظر است، توجه به این که سنگدانه کربن‌دار، غیرمتراکم است، یک موضوع جالب است.

تغییرات در مقاومت ویژه مخلوط های OPC حاوی سنگدانه کربن‌دار نیز رخ می‌دهد. مقاومت ویژه اولیه نمونه‌های فشرده‌شده دستی، در حدود 8 Ω-cm است. سپس کاهش مقاومت ویژه شروع می‌شود اما پس از چند روز در یک مقداری که برحسب فشار اعمال شده در طی مراحل تنظیم تعیین می‌گردد، ثابت می‌شود. مقاومت ویژه بتنی که به صورت دستی در محل قرار داده می‌شود، در حدود 1-15 Ω-cm است، در حالی که با استفاده موقت از فشار می‌توان به مقادیر کمتر از 1 Ω-cm دست یافت. لازم به ذکر است که تغییرات بارز در شکل 1، به طور همزمان رخ می‌دهند، اما مقاومت ویژه بیشتر از مقاومت ویژه کربن است که پس از چند ساعت تخست حاصل می‌شوند.

بتن‌های صمغی

پژوهش‌های اندک بر روی بتن‌های پلی‌استر و اپوکسی با سنگدانه‌های کربن‌دار نشان می دهند که رفتار مقاومت ویژه ان با مخلوط‌های OPC فرق دارد. مقاومت ویزه اولیه به نسبت سنگدانه – رزین بستگی دارد. سپس در طول دوره ژلاتینی شدن و سفت‌شدگی و ثبیت در چند ساعت به مقدار پایین‌تری کاهش می‌یابد. شکل 3، یک منحنی نمونه‌ای برا فشرده‌سازی با دست برای مقدار 3:1 سنگدانه-رزین پلی‌استر برحسب وزن نشان می‌دهد که دارای واحد وزن 76.3 پوند در هر فوت مکعب است. همان‌گونه مورد انتظار است، مقاومت ویژه در مدت دوره تنظیم رزین، به شدت نسبت به فشار حساس است.