Analysis of the application of electric conducting concrete in the power industry

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в электроэнергетической отрасли России особое внимание уделяется созданию и внедрению малообслуживаемых устройств, целью которых является снижение трудозатрат в процессе эксплуатации при сохранении показателей надежности. Высокий потенциал внедрения малообслуживающих устройств представляется в системе заземления, а именно применения железобетонных конструкций, выступающих в качестве естественных заземлителей. Исследованием электропроводящих свойств железобетонных конструкций в нашей стране занимается небольшой ряд ученых, которые в своих трудах [1–3] выявили основную проблему – нелинейность сопротивления при изменении температурно-влажностных условий.

Бетон в сухом состоянии является диэлектриком, однако, находясь во влажной среде, за счет наполнения пор влагой становится хорошим проводником электрического тока. При прохождении электрического тока через такой заземлитель происходит локальный нагрев и испарение поровой влаги бетона. Данные процессы приводят к изменению сопротивления, что в свою очередь является мешающим фактором для внедрения железобетонных конструкций в качестве естественных заземлителей.

С целью повсеместного использования железобетонных конструкций в качестве естественных заземлителей необходимо добиться постоянства электрического сопротивления, удовлетворяющего требованиям [4]. В настоящее время при проектировании электропроводящих бетонов используют два метода:

– включение в состав бетона токопроводящих добавок, изменяющих характеристики материала;

– применение специального композиционного бетона с функциями электропроводимости.

Результатом последнего метода стало создание в СССР электропроводящего бетона – бетэла, который может применяться в качестве конструкционного и электротехнического материала.

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.

Нормативные документы, определяющие требования физических характеристик к электропроводящим бетонам [5–18].

СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И СВОЙСТВ

Электропроводящий бетон 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 и опорывоздушных линий электропередачи и другие ЖБК. Принципиальная схема электропроводящего бетона представлена на Рис.

 

Рис. Принципиальная схема электропроводящего бетона:

1 – песок (диэлектрик-наполнитель);

2 – электропроводный металлосиликат;

3 – гелевая оболочка;

4 – агрегаты металлического порошка;

5 – агрегаты цемента

 

Сделав смесь в виде обычного бетона, где вместо песка использована сажа, получается материал с удельным сопротивлением ~ 0,01–10 Ом*м. Это означает, что например резистор номиналом 100 Ом можно изготовить из бетонного параллелепипеда размером 10 см х 10 см х 1 м [4]. Здесь, правда, возникает проблема с вводом тока в такое сопротивление. Решение нашли достаточно простое – аквадаг (тонкий электропроводящий слой графита). Но к аквадагу, в свою очередь трудно присоединять контакты. Поэтому используют либо прижимные контакты к аквадагу, либо внедренные в тело композита разнообразные проволочные элементы. Нестабильное сопротивление, водопоглощение с последующим изменением многих параметров, (цементный камень продолжает расти в течение многих лет), малый коэффициент теплопроводности (~ 0.6 Вт/(м*К)), не дает возможности создания мощных резисторов для энергетики. Точнее резисторы такие можно создать, но они могут работать только ограниченное время. Если нет теплопроводности (т.е. теплоотвода), то резистор за конечное время может нагреться до температур, при которых он начнет разрушаться. Известны случаи, когда бетэловые резисторы взрывались в процессе включения в эксплуатацию под большую нагрузку. Предполагается, что это происходило при попадании влаги внутрь резистора, что приводило к бурному вскипанию воды внутри материала при нагреве выше точки кипения после включения резистора под нагрузку. Опыт показывает, что бетэловый резистор можно включать только на несколько секунд.

При изготовлении бетона может использоваться различная связка, по которой и названы типы материала:

• пластобетон;
• составы на цементном вяжущем бетоне;
• полимерцементный бетон.

С точки зрения конструктивной, электрической и экономической эффективности наиболее подходящим считаются составы на цементном вяжущем бетоне, поскольку они, кроме высоких технико-экономических и конструктивных показателей, обладают достаточно хорошей дугостойкостью и короностойкостью.

Исследования электрических и прочностных свойств электропроводящего бетона 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 Ом/см;
• 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.

Анализируемые электропроводящие бетоны приведены в Табл.

 

Таблица. Анализируемые электропроводящие бетоны

№	Название	Страна	Патент
1	Резистивный композиционный материал	РФ	№ 2231845, МПК H01C7/00, 2004 г.
2	Manufacturing method of portland cement with optical and electrical conducting properties	США	US6461424 В1, 2002 г.
3	Способ получения электропроводящего бетона	РФ	№ 2291130, МПК C04B28/04; C04B111/94, 2007 г.
4	Электропроводящий бетон	РФ	RU2665324C1, 2017 г.

 

Известен резистивный композиционный материал, состоящий из компонентов (патент РФ № 2231845, МПК H01C7/00, 2004 г.), мас.%:

• быстротвердеющий цемент 34–56;
• крупнодисперсная фракция шамота с размером частиц 0,15–2,5 мм – 1–35;
• кварцевый песок, фракция 0,2–2,5 мм – 1–34;
• коллоидный графит 3–15;
• мелкодисперсная фракция шамота с размером частиц 0,05–0,09 мм – 0,1–15;
• электрокорунд, фракция 0,1–0,5 мм – 0,1–20;
• минеральное волокно длиной 3–10 мм – 0–5.

К недостаткам данного материала относятся сложная рецептура и высокая цена большинства компонентов.

Известны составы электропроводящего бетона, которые включают
1–20 % портландцемента, 18–85 % золы и воду (патент US6461424 В1, 2002 г.).

Недостатком такого материала является низкий предел прочности на сжатие – 8,3 МПа.

Ещё одним, является электропроводящий бетон, содержащий цемент, песок, воду и порошкообразный графит, при следующем соотношении (патент РФ № 2291130, МПК C04B28/04; C04B111/94, 2007 г.), мас.%:

• порошкообразный графит 15–35;
• цемент 20–30;
• песок 25–45;
• вода.

Недостатками такого электропроводящего бетона являются низкие прочностные характеристики, сложность регулирования структурообразования и гомогенизации многокомпонентных систем, наличие ограниченной формы конечной продукции, что сужает спектр применения изделий и систем на их основе.

Но наиболее привлекательной для дальнейших исследований является электропроводящий бетон, разработанный в России Р.С. Федюком в 2017 г. [1], который включает портландцемент, песок, воду и углеродсодержащий компонент, в нем дополнительно используют золу уноса и гиперпластификатор, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

• портландцемент 10–14;
• песок 14–19;
• зола уноса 13–18;
• углеродсодержащий компонент 11,8–15,8;
• гиперпластификатор 0,2;
• вода 42.

При этом в качестве песка применяется термозитовый песок, а в качестве углеродсодержащего компонента – углеродистый шлам алюминиевого производства. Кроме того, все сухие компоненты подвергают механохимической активации в варио-планетарной мельнице до удельной поверхности 550 м/кг. Технический результат – оптимизация регулирования структурообразования и гомогенизация многокомпонентной системы, а также снижение стоимости конечной продукции, энерго- и ресурсоемкости производства.

Такой электропроводящий бетон может применяться в строительстве, электроэнергетике и, в частности, для создания опор и фундаментов для контактной сети, обладающих электропроводностью и удельным сопротивлением, достаточным для того, чтобы использовать ЖБК в качестве естественных заземлителей.

Вышеуказанный бетон решает задачу увеличения сырьевой базы для производства электропроводящих бетонов с широким диапазоном потребительских свойств. И позволяет оптимально регулировать структурообразование и гомогенизацию многокомпонентной системы как за счет применения в составе бетонной смеси углеродных веществ, так и за счет совместного помола компонентов, а также снижении стоимости конечной продукции за счет использования в составе бетона техногенных отходов, что позволяет снизить стоимость производства.

При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:

1. Признак, указывающий, что «дополнительно используют золу уноса» позволяет достичь снижения расхода портландцемента путем замены его активированным наполнителем техногенного происхождения.
2. Признак, указывающий, что «дополнительно используют гиперпластификатор», позволяет улучшить реологические характеристики бетонной смеси.
3. Признак, указывающий, что «в качестве песка применяется термозитовый песок, а в качестве углеродсодержащего компонента – углеродистый шлам алюминиевого производства…», позволяет снизить себестоимость производства бетона за счет применения дешевых отходов производства.
4. Признак, указывающий, что «все сухие компоненты подвергают механической активации», позволяет усилить реакционную способность активированного вещества без изменений его состава или строения.
5. Признаки, указывающие на соотношение масс, направлены на оптимизацию состава, направленную на достижение технического результата.

ВЫВОДЫ

Все электропроводящие бетоны имеют свои недостатки. Предлагаемый состав [1] электропроводящего бетона имеет следующие преимущества по сравнению с известными:

• повышены прочностные характеристики более чем в 2 раза при одновременном увеличении электропроводности до 2 раз по сравнению с прототипом;
• экономический эффект достигается за счет снижения расхода портландцемента путем замены его активированным наполнителем техногенного происхождения и применения в рецептуре термозитового песка и углеродистого шлама алюминиевого производства.

Особенности резистивных материалов обуславливают использование их модификаций для создания нагревательных элементов и конструкций объемного и пленочного типов, применяющихся в электрических системах для теплофикации в сфере общественного и промышленного строительства, жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве, а главное энергетике и т.д. Применение углеродсодержащих компонентов позволит обеспечить стабильность электрических свойств, что является одним из важнейших параметров для заземляющих опор без подключения к тяговому рельсу.

Опоры и фундаменты для контактной сети из данного бетона ещё не изучены и для их применения требуется проведение ряда исследований и опытов, как на пригодность прочностных показателей, ввиду механических воздействий со стороны окружающей среды и непосредственно контактной подвески, так и на соответствие электрических показателей для заземления данными опорами, такими как проверка токами коротких замыканий, расчёты в случае попадания молнии в линию и рядом, и прочие сопутствующие испытания для системы заземления.

 

Авторы заявляют что:

1. У них нет конфликта интересов.
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

About the authors

Alexander V. Agunov

Petersburg State Transport University of Emperor Alexander I

Email: alexagunov@mail.ru
SPIN-code: 5231-2930
Scopus Author ID: 249776
https://www.pgups.ru/sveden/employees/agunov-aleksandr-viktorovich

Doctor of Technical Sciences, professor

Russian Federation, St. Petersburg

Ilya A. Terekhin

Petersburg State Transport University of Emperor Alexander I

Email: terekhin_ilya@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9873-4795
SPIN-code: 6947-0053
https://www.pgups.ru/sveden/employees/teryekhin-ilya-aleksandrovich

Candidate оf Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, St. Petersburg

Ivan A. Baranov

Petersburg State Transport University of Emperor Alexander I

Author for correspondence.
Email: baranov@pgups.ru
ORCID iD: 0000-0001-5540-0608
SPIN-code: 1808-9260

student

Russian Federation, St. Petersburg

References

Supplementary files