錢(qián) 錕，譚 燕，肖衡林

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

目前，內(nèi)置碳纖維發(fā)熱線應(yīng)用于道路融雪化冰已經(jīng)比較廣泛[1-2]，對(duì)已有道路改造，通常需要鏟除瀝青層，對(duì)混凝土層進(jìn)行開(kāi)槽，在埋置碳纖維發(fā)熱線后，需要對(duì)開(kāi)槽勾縫進(jìn)行回填。實(shí)際工程中，往往直接用瀝青作為回填材料，但是瀝青材料具有強(qiáng)度不足、導(dǎo)熱性能較差的缺點(diǎn)[3]。因此，需要使用具有一定強(qiáng)度且導(dǎo)熱性能良好的材料，既可以有效保護(hù)碳纖維發(fā)熱線，又可以減少熱能損失。

水泥砂漿是一種傳統(tǒng)回填材料，應(yīng)用廣泛，對(duì)道路砂漿的強(qiáng)度要求一般為M20強(qiáng)度等級(jí)以上[4]。鐵粉是指尺寸小于1 mm的鐵顆粒集合體，是粉末冶金的主要原料。鐵粉顆粒的密度一般為7.854 g/cm3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于細(xì)骨料砂的密度(中粗河砂一般為2.58 g/cm3),將高強(qiáng)度的細(xì)骨料混入砂漿中替代河砂可以提高材料力學(xué)強(qiáng)度[5]，同時(shí)作為金屬材料，其導(dǎo)熱能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通河砂。鄭宇博等[6]將鋼纖維摻入水泥砂漿，得出河砂可以使纖維混雜體系硬化物保持較高的強(qiáng)度，膠砂比為1∶2時(shí)，硬化物的力學(xué)性能較好。張偉平、沈雷等[7-8]對(duì)于砂漿混凝土進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)研究，發(fā)現(xiàn)砂率、骨料種類(lèi)及其體積分?jǐn)?shù)、水灰比和飽和度也均對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)有影響，需用熱線法導(dǎo)熱系數(shù)儀來(lái)測(cè)試這種固體導(dǎo)熱系數(shù)[9]。雷巖等[10]將鐵粉加入電纜復(fù)合材料之中，結(jié)果表明：在電纜復(fù)合材料中摻加一定量的鐵粉可以降低材料的電阻性能，提高其導(dǎo)熱性能。

然而，目前對(duì)水泥砂漿內(nèi)摻鐵粉的研究相對(duì)較少，筆者通過(guò)對(duì)不同鐵粉摻量的水泥砂漿試塊進(jìn)行抗壓、抗折和導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)，研究材料的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的變化規(guī)律，得出鐵粉摻量與材料強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)新型、高效道路融雪化冰回填材料的研究打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料與配合比設(shè)計(jì)

采用華新水泥(鄂州)有限公司制造的P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，廈門(mén)艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)砂以及南通新華鐵粉廠生產(chǎn)的中號(hào)鐵粉，主要為30～100目(圖1)。

圖1 中號(hào)鐵粉

拌合水采用普通自來(lái)水，滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)水泥基材料試驗(yàn)用水的要求[4]。考慮到鐵粉相比于鋼纖維，更易分散和拌和，適當(dāng)提高膠凝材料的含量，最終膠砂比取為1∶3。由于該配合比砂漿強(qiáng)度要高于M30砂漿強(qiáng)度，故對(duì)膠凝材料采取內(nèi)摻的方法，即用同等質(zhì)量的鐵粉取代同等質(zhì)量的水泥，達(dá)到減少工程成本的目的。分別對(duì)M30水泥砂漿內(nèi)摻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、5%、7%和10%鐵粉進(jìn)行試驗(yàn)，抗壓、抗折和導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)分組見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)分組 kg/m3

1.2 試件制備方案

將水泥、砂和鐵粉按比例混合，使用JJ-5型砂漿攪拌機(jī)先進(jìn)行兩分鐘慢攪(自轉(zhuǎn)140±5 r/min，公轉(zhuǎn)62±5 r/min)，同時(shí)緩慢加入相應(yīng)質(zhì)量的自來(lái)水，慢攪完畢后再進(jìn)行兩分鐘快攪(自轉(zhuǎn)285±10 r/min，公轉(zhuǎn)125±10 r/min)。全部攪拌完畢后分別注入抹油后的40 mm×40 mm×160 mm和70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試模以及Φ61.8 mm×Φ20 mm，體積約為60 cm3的環(huán)刀之中，澆筑成型后放置振搗臺(tái)進(jìn)行1 min的振搗，隨后立即用塑料薄膜覆蓋以防硬化期間水分蒸發(fā)，24 h后拆模并移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20±5℃，相對(duì)濕度 95%)養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)完畢后分別進(jìn)行抗壓、抗折和導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)，每種試驗(yàn)同一鐵粉摻量需制備三組相同試塊以減小試驗(yàn)誤差。

1.3 抗壓試驗(yàn)

對(duì)不同鐵粉摻量的的五組試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，試塊規(guī)格為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(圖2)。將試件安放在試驗(yàn)機(jī)的下壓板或下墊板上，試件的承壓面應(yīng)與成型時(shí)的頂面垂直，試件中心應(yīng)與試驗(yàn)機(jī)下壓板或下墊板中心對(duì)準(zhǔn)。開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)上壓板與試件或上墊板接近時(shí)，調(diào)整球座，使接觸面均衡受壓。承壓試驗(yàn)應(yīng)連續(xù)而均勻加荷，加荷速度為1 kN/s，當(dāng)砂漿強(qiáng)度不大于2.5 MPa時(shí)，宜取下限。當(dāng)試件接近破壞并迅速變形時(shí)，停止調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門(mén)，直至試件破壞，然后記錄破壞荷載，抗壓試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 抗壓試驗(yàn)

表2 抗壓強(qiáng)度 MPa

1.4 抗折試驗(yàn)

采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司生產(chǎn)的抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)，對(duì)不同鐵粉摻量的試塊進(jìn)行抗折試驗(yàn)，試塊規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm。將試件一側(cè)放置試驗(yàn)機(jī)支撐圓柱上，試件長(zhǎng)軸垂直于支撐圓柱，控制 50 N/s±10 N/s的速率均勻地將荷載垂直加在棱柱體相對(duì)側(cè)面上，直至試塊破壞，記錄試件折斷時(shí)施加于棱柱體中部的荷載，得到抗折強(qiáng)度見(jiàn)表3，試件破壞前后見(jiàn)圖3?？箟簭?qiáng)度計(jì)算公式如下：

圖3 抗折試塊

表3 抗折強(qiáng)度 MPa

式中：Rf為抗折強(qiáng)度，F(xiàn)f為折斷時(shí)施加于棱柱體中部的荷載，L為支撐圓柱之間的距離，b為棱柱正方體截面的邊長(zhǎng)。其中，L=100 mm，b=40 mm。

1.5 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

使用湘潭湘儀儀器有限公司生產(chǎn)的DRE-Ⅲ導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，對(duì)五組不同鐵粉摻量的圓餅狀試塊進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)，規(guī)格為Φ61.8×20 mm(圖4)。將傳感器用兩塊圓餅試塊蓋住夾緊，連接到儀器上，在電源電壓測(cè)試均正常后進(jìn)行調(diào)零，先對(duì)有機(jī)玻璃以及石英玻璃進(jìn)行測(cè)試，確定儀器測(cè)試結(jié)果正常后，調(diào)好參數(shù)對(duì)各個(gè)試塊進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖4 DRE-Ⅲ導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀

表4 導(dǎo)熱系數(shù)

2 結(jié)果分析與討論

2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的分析與討論

不同鐵粉摻量試塊的抗壓和抗折試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 不同鐵粉摻量試塊抗壓強(qiáng)度

圖6 不同鐵粉摻量抗折強(qiáng)度

由圖5、圖6分別可以看出，不摻鐵粉時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度分別是37 MPa和10.9 MPa。在水與砂質(zhì)量不變的情況下，摻入一定量的鐵粉替換水泥后，隨著鐵粉摻量的增多，試塊抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且近似呈線性關(guān)系。將三組試塊試驗(yàn)結(jié)果與不摻鐵粉試塊對(duì)比，鐵粉摻量為10%的試塊抗壓強(qiáng)度減小了約20.2%，抗折強(qiáng)度減小了約27.6%；鐵粉摻量為5%的試塊，其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別下降了約10%和14.7%。由此可見(jiàn)，少部分質(zhì)量水泥用相同質(zhì)量鐵粉替換后，由于鐵粉凝結(jié)與硬化效果不及水泥，隨著水泥含量的減少，試塊抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度也隨之降低，鐵粉對(duì)試塊力學(xué)強(qiáng)度的影響更偏向砂性，隨著膠凝材料的減少，試塊力學(xué)強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)小幅度下降趨勢(shì)。由于摻入鐵粉的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水泥的質(zhì)量，其力學(xué)強(qiáng)度有所下降，然而其仍具備不摻鐵粉試塊70%以上的強(qiáng)度。將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)這兩組力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果都是呈線性關(guān)系，近似于為一次函數(shù)曲線，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果擬合曲線為：y1=36.97-0.82x，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果擬合曲線為：y2=10.85-0.30x?？梢钥闯鰞山M曲線的斜率均小于零，整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是明顯看出抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果所得到的擬合曲線的斜率絕對(duì)值是要明顯大于抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果所得到的擬合曲線，說(shuō)明隨著鐵粉摻量的增多同時(shí)水泥質(zhì)量的減少對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響是要遠(yuǎn)高于對(duì)試塊抗折強(qiáng)度的影響。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果的分析

不同鐵粉摻量試塊導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 不同鐵粉摻量試塊導(dǎo)熱系數(shù)

由圖7可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)的變化出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。從不摻鐵粉試塊到鐵粉摻量為5%試塊導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，相比于不摻鐵粉試塊，鐵粉摻量為5%，試塊導(dǎo)熱系數(shù)提高了約8.4%。而在鐵粉摻量為5%到10%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在鐵粉摻量為5%時(shí)，試塊導(dǎo)熱系數(shù)到達(dá)峰值，鐵粉摻量為10%試塊相比于鐵粉摻量為5%試塊導(dǎo)熱系數(shù)下降了約14.6%。當(dāng)鐵粉摻量小于5%時(shí)，由于鐵粉的摻入，因其本身具有較高導(dǎo)熱性，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)有一定的提高。而當(dāng)鐵粉摻量大于5%后，此時(shí)由于膠凝材料的減少造成試塊密實(shí)性的降低，其空氣的體積逐漸增多，導(dǎo)致材料的導(dǎo)熱系數(shù)開(kāi)始降低。將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果近似于二次函數(shù)，擬合曲線為：y3=2.60+0.10x-0.01x2。由此曲線可以計(jì)算出峰值將出現(xiàn)在x≈4.42時(shí)，此時(shí)y3≈2.83。由此可以預(yù)測(cè)，當(dāng)鐵粉摻量為4.42%時(shí)，可以達(dá)到最高導(dǎo)熱系數(shù)2.83 W/(m·k)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果的綜合分析

砌筑砂漿按抗壓強(qiáng)度劃分為M30、M25、M20、M15、M10、M7.5、M5 7個(gè)強(qiáng)度等級(jí)[4]，本試驗(yàn)中鐵粉摻量為5%以?xún)?nèi)的試塊抗壓強(qiáng)度都不低于M30，且試塊的抗折強(qiáng)度沒(méi)有明顯差異，力學(xué)強(qiáng)度均達(dá)要求；鐵粉摻量為5%的試塊導(dǎo)熱系數(shù)高出其他試塊9.2%到16.8%，導(dǎo)熱性能最好，因此，鐵粉摻量為5%的新型回填材料，既能滿(mǎn)足回填材料所需的強(qiáng)度要求，又具備一定的導(dǎo)熱系數(shù)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

將這三組試驗(yàn)的結(jié)果用Origin擬合成曲線進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)試塊鐵粉摻量為4.42%時(shí)，最大導(dǎo)熱系數(shù)，具有較好的導(dǎo)熱性能，由于兩種力學(xué)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果擬合曲線斜率小于0，故其力學(xué)強(qiáng)度會(huì)優(yōu)于5%鐵粉摻量試塊?？梢?jiàn)，鐵粉摻量與回填材料的強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)具有很好的相關(guān)性，當(dāng)鐵粉摻量約為4.42%時(shí)，道路融雪化冰填埋碳纖維發(fā)熱線材料各項(xiàng)性能最優(yōu)。

3 結(jié)論

1)用鐵粉替換等質(zhì)量的水泥摻入水泥砂漿后，隨著鐵粉摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)。

2)當(dāng)鐵粉摻量達(dá)到鐵粉與水泥總質(zhì)量5%前，隨著鐵粉摻量的增加，同等質(zhì)量水泥的減少，水泥砂漿材料導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；當(dāng)鐵粉摻量在鐵粉與水泥總質(zhì)量的5%到10%之間，隨著鐵粉摻量的增加，同等質(zhì)量水泥的減少，導(dǎo)熱系數(shù)大小呈下降趨勢(shì)。

3)鐵粉質(zhì)量達(dá)到鐵粉與水泥總質(zhì)量的5%時(shí)，水泥砂漿導(dǎo)熱性能達(dá)到最優(yōu)；而由試驗(yàn)結(jié)果擬合得到，最優(yōu)鐵粉摻量為4.42%。因此，對(duì)于埋設(shè)的碳纖維發(fā)熱線會(huì)有較高的傳熱效率，同時(shí)具備工程所需的力學(xué)強(qiáng)度。相比其他材料，鐵粉價(jià)格不高同時(shí)用量也不高，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。