彭立勇,岳 銘

(1.湖南省交通運(yùn)輸廳規(guī)劃與項(xiàng)目辦公室，湖南 長沙 410014；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

1 概述

普通素混凝土電阻率正常介于106～109Ω·cm的范圍之間。而在混凝土制備時(shí)，通過摻入導(dǎo)電材料替代部分水泥作為膠凝材料和導(dǎo)電材料，可以制備出電阻率較低的高性能導(dǎo)電混凝土。導(dǎo)電混凝土利用電熱提升溫度，可以用于建筑采暖、靜電屏蔽、損傷自診、鋼構(gòu)件陰極保護(hù)等領(lǐng)域，作為混凝土路面在公路路面除冰等領(lǐng)域也具有較好的應(yīng)用前景。導(dǎo)電混凝土中摻入的常用導(dǎo)電材料有炭黑粉、金屬纖維、金屬礦渣和金屬爐渣[1]。其中金屬礦渣中的磁鐵礦具有良好的導(dǎo)電性能以及較高的密度和強(qiáng)度，可以成為替代常用材料炭黑的可行填料。同時(shí)銅爐渣作為銅冶煉和精煉環(huán)節(jié)的副產(chǎn)物，具備粉煤灰的主要性能，可以用于替代粉煤灰作為混凝土的摻合料。銅爐渣粉中的玻璃體成分高達(dá)85%～90%[2]，使得銅爐渣粉具有優(yōu)良的粉煤灰活性[3-5]。磁鐵礦和銅爐渣僅需細(xì)磨成粉就可以替代部分水泥作為膠凝材料，其制備出來的導(dǎo)電混凝土由于低成本和高性能使其具備優(yōu)良的應(yīng)用前景。

單一導(dǎo)電相制備的導(dǎo)電混凝土雖然可以達(dá)到導(dǎo)電性能的要求，但是也存在穩(wěn)定性能差、制備成本高、力學(xué)性能較差等問題[6-7]。為解決這一問題，研究人員采用多種導(dǎo)電相復(fù)合摻入制備導(dǎo)電混凝土。司瓊[8-9]等研究人員通過研究石墨和碳纖維復(fù)合摻入制備的導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電性能，研究結(jié)果表明：當(dāng)石墨的摻入量和碳纖維的摻入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.24%和16%時(shí)，試樣的綜合性能最優(yōu)。采用兩相導(dǎo)電材料制備導(dǎo)電混凝土是目前提高導(dǎo)電混凝土穩(wěn)定性能和導(dǎo)電性能的重要途徑。因此，在混凝土中加入適量磁鐵礦和銅爐渣可以在一定程度上改善混凝土的導(dǎo)電性能，但在混摻時(shí)，兩種材料的組成比例、相互作用及對混凝土性能的影響程度并不明確，有待研究。

為研究磁鐵礦和銅爐渣對導(dǎo)電混凝土性能的影響及顯著程度，對16組導(dǎo)電混凝土試樣進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和電阻率試驗(yàn)，采用極差分析法相關(guān)理論，分析磁鐵礦和銅爐渣對導(dǎo)電混凝土力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的影響，以期進(jìn)一步為導(dǎo)電混凝土路面的推廣應(yīng)用提供試驗(yàn)支撐。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

本研究導(dǎo)電混凝土試樣的主要材料有：南京豫南洋建材公司提供的42.5級硅酸鹽水泥；粒徑為5～20 mm，表觀密度為2 720 kg/m3的石子；細(xì)度模數(shù)為2.83的中砂；自來水；鞏義市奧林濾材有限公司提供的磁鐵礦；武漢鋼鐵集團(tuán)公司生產(chǎn)的銅爐渣。

2.2 試驗(yàn)配合比

本研究根據(jù)體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。導(dǎo)電混凝土的基準(zhǔn)混凝土配合比如下：水泥416 kg/m3，石子1 128 kg/m3，中砂721 kg/m3，水208 kg/m3，水灰比0.5，砂率39%。

2.3 試樣設(shè)計(jì)與制備

為研究磁鐵礦和銅爐渣對導(dǎo)電混凝土性能的影響及顯著程度，本研究分別以0、5%、10%、15%、20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磁鐵礦和銅爐渣替代水泥制備導(dǎo)電混凝土進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。本研究采用干濕攪拌相結(jié)合的方法制作導(dǎo)電混凝土試塊，對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磁鐵礦和銅爐渣摻入以及磁鐵礦和銅爐渣摻入的試樣進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并按標(biāo)準(zhǔn)方法制備了48個(gè)150 mm×150 mm×150 mm的立方體試樣和96個(gè)100 mm×100 mm×400 mm的長方體試樣，共計(jì)16組對比試件，共計(jì)144個(gè)導(dǎo)電混凝土試樣。試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)，分別在第7天、第14天、第28天對試樣的立方體抗壓強(qiáng)度和三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度進(jìn)行測量，并在第7天、第14天、第28天進(jìn)行電阻率測量。

3 試驗(yàn)測試方法

3.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

導(dǎo)電混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測試嚴(yán)格按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[10]進(jìn)行，分別在養(yǎng)護(hù)第7天、第14天、第28天對試樣進(jìn)行導(dǎo)電混凝土的立方體抗壓試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究不同磁鐵礦和銅爐渣摻入量以及兩者摻入對各齡期試樣力學(xué)性能的影響。其中，導(dǎo)電混凝土的立方體抗壓試驗(yàn)選用HYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)，導(dǎo)電混凝土的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)選用YAW-4206型壓力試驗(yàn)機(jī)，加載示意圖如圖1所示。

(a)抗壓試驗(yàn)

導(dǎo)電混凝土力學(xué)性能的測試加載采用位移控制原則，加載速率為(0.2±0.02)mm/min，由儀器自行記錄荷載-位移結(jié)果。抗彎強(qiáng)度可用式(1)計(jì)算：

(1)

式中:ft為試樣的極限抗彎強(qiáng)度,MPa;F為試樣彎曲破壞時(shí)的荷載,N;L為試樣跨長,mm;h為試樣橫截面高度,mm;b為試樣橫截面寬度,mm。

3.2 電阻率試驗(yàn)

導(dǎo)電混凝土待試樣養(yǎng)護(hù)至第7天、第14天和第28天時(shí)進(jìn)行電阻率測試，如圖2所示。試樣均為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體。在導(dǎo)電混凝土試樣澆筑時(shí)，銅網(wǎng)電極以平行試樣橫截面的120 mm間距均勻澆筑于試樣內(nèi)部，數(shù)字萬用表通過銅線連接銅網(wǎng)電極并記錄電阻率。電阻率可用式(2)計(jì)算。

圖2 導(dǎo)電混凝土電阻率測試示意圖(單位：mm，非按實(shí)際比例)

(2)

式中：ρ為試樣的電阻率,ω·m;U為測得的電壓,V;I為測得的電流,A;A為試樣的橫截面面積,m2。

4 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

由上述試驗(yàn)測試方法測得的導(dǎo)電混凝土力學(xué)性能和導(dǎo)電性能結(jié)果如表1所示。

4.1 立方體抗壓強(qiáng)度分析

由表1可知，若不摻入銅爐渣而僅摻入磁鐵礦，則隨著磁鐵礦摻入量的增加，導(dǎo)電混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度先提高后降低，其影響程度如圖3(a)所示。隨著磁鐵礦替代水泥量由0增長至5%再增長至20%，導(dǎo)電混凝土28 d的立方體抗壓強(qiáng)度從42.3 MPa增長至45.7 MPa，然后再降低至30.6 MPa，即抗壓強(qiáng)度先增高8%，隨后又降低至初始強(qiáng)度的72%。當(dāng)磁鐵礦摻入量為5%時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)45.7 MPa。

若不摻入磁鐵礦而僅摻入銅爐渣，則隨著銅爐渣摻入量的增加，導(dǎo)電混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度也是先提高后降低，其影響程度如圖3(b)所示。隨著銅爐渣替代水泥量由0增長至10%再增長至20%，導(dǎo)電混凝土28 d的立方體抗壓強(qiáng)度從42.3 MPa增長至44.6 MPa，然后再降低至36.1 MPa，即抗壓強(qiáng)度先增高5.4%，隨后又降低至初始強(qiáng)度的85%。當(dāng)銅爐渣摻入量為10%時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)44.6 MPa。

對于磁鐵礦和銅爐渣復(fù)合摻入的導(dǎo)電混凝土，其強(qiáng)度也隨著整體摻入量的增加而先緩慢提高后下降。當(dāng)磁鐵礦摻入5%，銅爐渣占比對抗壓強(qiáng)度的影響如圖3(c)所示；當(dāng)銅爐渣摻入10%，磁鐵礦占比對抗壓強(qiáng)度的影響如圖3(d)所示。當(dāng)磁鐵礦摻入量為5%，銅爐渣摻入量為10%時(shí)，整體的28 d立方體抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)46.16MPa。其中，由于磁鐵礦的纖維狀結(jié)構(gòu)使得磁鐵礦與其他導(dǎo)電材料之間容易形成導(dǎo)電團(tuán)體，故磁鐵礦在混凝土中的顆粒分布是影響導(dǎo)電混凝土粘結(jié)性能的主要原因。當(dāng)磁鐵礦和銅爐渣復(fù)合摻入時(shí)，由于粗集料之間的巨大空隙的無法填補(bǔ)，孔隙率較大，從而使其整體抗壓強(qiáng)度明顯下降。

表1 磁鐵礦-銅爐渣導(dǎo)電混凝土試驗(yàn)結(jié)果表Table1 Testresultsofmagnetite-cuperfurnaceslagcompositeconductiveconcrete編號銅爐渣/(kg·m-3)磁鐵礦/(kg·m-3)水泥/(kg·m-3)抗壓強(qiáng)度/MPa抗彎強(qiáng)度/MPa導(dǎo)電率/(kΩ·cm)7d14d28d7d14d28d7d14d28d10041634.837.242.33.523.774.12265332384292202139537.241.245.73.513.714.058369831139304237436.539.342.93.133.353.77719837932406235431.534.939.22.522.843.21674732827508333324.626.830.61.942.192.64629683708621039535.838.543.73.553.794.141038128416327212137437.541.545.93.563.754.067528731052842037436.339.144.63.573.844.1682697311359422135337.941.746.13.623.894.1464272593210424233235.839.444.63.493.673.9453763284811426231233.536.341.33.283.463.6950258379212428329130.232.937.43.033.163.374815427291362035433.236.440.73.153.333.6273583692714622133333.136.240.23.263.423.646146958651583033327.431.536.12.632.843.1668372580216832131226.328.431.42.853.033.21583643792

(a)未摻入銅爐渣

4.2 抗彎強(qiáng)度分析

由表1可知，若不摻入銅爐渣而僅摻入磁鐵礦，則隨著磁鐵礦摻入量的增加，導(dǎo)電混凝土的抗彎強(qiáng)度先緩慢降低后大幅降低，其影響程度如圖4(a)所示。隨著磁鐵礦替代水泥量由0增長至5%再增長至20%，導(dǎo)電混凝土28 d的抗彎強(qiáng)度從4.12 MPa降低至4.05 MPa，然后再大幅降低至2.64 MPa，即抗壓強(qiáng)度先降低2%，隨后降低36%。當(dāng)磁鐵礦摻入量為0時(shí)，抗彎強(qiáng)度最高。

若不摻入磁鐵礦而僅摻入銅爐渣，則隨著銅爐渣摻入量的增加，導(dǎo)電混凝土的抗彎強(qiáng)度是提高后大幅降低，其影響程度如圖4(b)所示。隨著銅爐渣替代水泥量由0增長至10%再增長至20%，導(dǎo)電混凝土28 d的抗彎強(qiáng)度從4.12 MPa增長至4.16 MPa，然后再降低至3.16 MPa，即抗彎強(qiáng)度先增高1%，隨后又降低至初始強(qiáng)度的77%。當(dāng)銅爐渣摻入量為10%時(shí)，抗彎強(qiáng)度最高，達(dá)4.16 MPa。

對于磁鐵礦和銅爐渣復(fù)合摻入的導(dǎo)電混凝土，其抗彎強(qiáng)度也隨著整體摻入量的增加而先基本不變后大幅下降。當(dāng)磁鐵礦摻入5%，銅爐渣占比對抗彎強(qiáng)度的影響如圖4(c)所示；當(dāng)銅爐渣摻入10%，磁鐵礦占比對抗彎強(qiáng)度的影響如圖4(d)所示。考慮到導(dǎo)電混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，當(dāng)磁鐵礦摻入量為5%以及銅爐渣摻入量為10%時(shí)，整體的28 d抗彎強(qiáng)度基本最高，達(dá)4.14 MPa。磁鐵礦對導(dǎo)電混凝土抗彎性能的負(fù)面影響比銅爐渣的程度更高，這與立方體抗壓強(qiáng)度的規(guī)律是一致的。

(a)未摻入銅爐渣

4.3 導(dǎo)電性能分析

由表1可知，若不摻入銅爐渣而僅摻入磁鐵礦，則隨著磁鐵礦摻入量的增加，導(dǎo)電混凝土的電阻率先大幅降低后緩慢降低，其影響程度如圖5(a)所示。隨著磁鐵礦替代水泥量由0增長至5%再增長至20%，導(dǎo)電混凝土28 d的電阻率從4 292 kΩ·cm降低至1 139 kΩ·cm，然后再大幅降低至708 kΩ·cm，即電阻率先降低至初始電阻率的27%，隨后至初始電阻率的16%。

若不摻入磁鐵礦而僅摻入銅爐渣，則隨著銅爐渣摻入量增加，導(dǎo)電混凝土電阻率也是先大幅降低后緩慢降低，其影響程度如圖5(b)所示。隨著銅爐渣替代水泥量由0增長至10%再增長至20%，導(dǎo)電混凝土28 d電阻率從4 292 kΩ·cm降低至1 135 kΩ·cm，然后再大幅降低至802 kΩ·cm，即電阻率先降低至初始電阻率的26%，隨后至初始電阻率的19%。

對于磁鐵礦和銅爐渣復(fù)合摻入的導(dǎo)電混凝土，其電阻率也隨著整體摻入量的增加而先大幅降低后緩慢降低。當(dāng)磁鐵礦摻入5%，銅爐渣占比對電阻率的影響如圖5(c)所示，導(dǎo)電混凝土電阻率隨著銅爐渣占比的增大而降低；當(dāng)銅爐渣摻入10%，磁鐵礦占比對電阻率的影響如圖5(d)所示，導(dǎo)電混凝土電阻率隨著磁鐵礦占比的增大而降低。考慮到導(dǎo)電混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律，當(dāng)磁鐵礦摻入量為5%以及銅爐渣摻入量為10%時(shí)，整體的28 d電阻率為932 kΩ·cm，為初始對照組電阻率的22%。

(a)未摻入銅爐渣

5 掃描電鏡微觀分析

從前面試驗(yàn)結(jié)果可知，由磁鐵礦和銅爐渣分別制備的導(dǎo)電混凝土均存在自身的局部缺陷，因此，摻入磁鐵礦和銅爐渣兩種材料制備的導(dǎo)電混凝土成為新的選擇。由于同時(shí)摻入磁鐵礦和銅爐渣兩種導(dǎo)電材料，混凝土制備過程中的攪拌次數(shù)增多，同時(shí)由于磁鐵礦和銅爐渣的聯(lián)合導(dǎo)電作用，使得磁鐵礦-銅爐渣導(dǎo)電混凝土的電阻率較單一導(dǎo)電相導(dǎo)電混凝土的電阻率有所下降。

當(dāng)摻入5%磁鐵礦和10%銅爐渣時(shí)，導(dǎo)電混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度較高，電阻率較小。為了進(jìn)一步探究磁鐵礦-銅爐渣導(dǎo)電混凝土的作用機(jī)理，對此配比制得的導(dǎo)電混凝土試樣進(jìn)行掃描電鏡微觀分析，分析結(jié)果見圖6所示。

圖6 5%磁鐵礦10%銅爐渣導(dǎo)電混凝土掃描電鏡圖

磁鐵礦的纖維狀結(jié)構(gòu)使得磁鐵礦與其他導(dǎo)電材料之間容易形成導(dǎo)電團(tuán)體，銅爐渣則可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電團(tuán)體之間導(dǎo)電性能的連接，進(jìn)而提升導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電性能[11]。銅爐渣的絮狀結(jié)構(gòu)受磁鐵礦纖維狀結(jié)構(gòu)的限制，緩解了脆性破壞的發(fā)展，進(jìn)而保證了導(dǎo)電混凝土的力學(xué)性能，磁鐵礦-銅爐渣之間的協(xié)同作用，可以在提高混凝土導(dǎo)電性能的基礎(chǔ)上盡可能保證其力學(xué)性能的穩(wěn)定。

6 結(jié)論

本文通過磁鐵礦-銅爐渣導(dǎo)電混凝土力學(xué)性能及導(dǎo)電性能試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

a.對于磁鐵礦或者銅爐渣單一摻入的導(dǎo)電混凝土，其試樣的立方體抗壓強(qiáng)度隨著其摻入量先提高后降低，其試樣的抗彎強(qiáng)度隨著其摻入量先基本不變后大幅降低，其試樣的電阻率隨著其摻入量的增加而先大幅下降后緩慢下降。

b.對于磁鐵礦和銅爐渣復(fù)合摻入的導(dǎo)電混凝土，其立方體抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均隨復(fù)合摻入量的增加而先緩慢提高后大幅下降，其電阻率隨整體摻入量的增加而先大幅降低后平緩下降。

c.對于磁鐵礦和銅爐渣復(fù)合摻入的導(dǎo)電混凝土，其抗壓和抗彎強(qiáng)度隨著整體摻入量的增加而先基本不變后大幅下降，其電阻率也隨著整體摻入量的增加而先大幅降低后緩慢降低。當(dāng)磁鐵礦替代水泥摻量為5%，銅爐渣替代水泥摻量為10%時(shí)，磁鐵礦-銅爐渣導(dǎo)電混凝土的綜合性能最優(yōu)。

d.磁鐵礦的纖維狀結(jié)構(gòu)使得其與銅爐渣之間容易形成導(dǎo)電團(tuán)體，銅爐渣則可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電團(tuán)體之間導(dǎo)電性能的連接。磁鐵礦-銅爐渣之間的協(xié)同作用，可以在提高混凝土路面導(dǎo)電性能的基礎(chǔ)上盡可能保證其力學(xué)性能的穩(wěn)定。