新型复相固废导电混凝土路面力学与导电性能试验研究

2022-04-04庄宝利

公路工程 2022年1期

李建,庄宝利

(湖南省交通科学研究院有限公司,湖南长沙 410015)

0 引言

导电混凝土是指将导电材料部分替换原骨料所制备得到的混凝土，其可以利用导电产生热量提升自身温度，能在公路路面除冰和路面除雪等领域发挥重要作用[1-3]。常用的混凝土导电材料有石墨、炭黑、碳纤维等，其中炭黑具有良好的导电性且密度相对较彽、电阻率小，但由于炭黑材料强度低且易产生滑移，会对混凝土的力学性能造成一定影响[4-6]。因此，需要通过引入其他填料和设定炭黑含量的阈值来平衡混凝土的导电性能和力学性能。

炼钢废渣(钢渣)等金属废渣具有较大的密度和较高的强度，可成为导电混凝土中替代部分炭黑的可行填料。同时，混凝土材料中掺入矿渣固体可表现出较强的抗碱硅、硫酸盐和氯化物侵蚀能力与抗胶凝复合材料热开裂的能力[7-9]。在力学性能方面，钢渣颗粒由于具有粗糙的微尺度表面，可以改善集料与胶凝膏体之间的粘结摩擦，进而改善混凝土的力学性能。此外，工业废渣都具有火山灰性质，如果将工业废渣合理地掺入混凝土中，可以替代水泥从而减少水泥生产过程中的污染排放，还可以减少矿渣堆积，显示出环境友好性和成本效益的潜力[10]。因此，本研究旨在通过试验研究和微观分析研究出炭黑和废渣的最佳配合比，使制备得到的导电混凝土在导电性能和力学性能之间达到较好的平衡，本研究可为导电混凝土路面的推广应用提供必要的研究基础。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

在本试验中制备导电混凝土所用的材料有：52.5R普通硅酸盐水泥，粒径5～10 mm的碎石，粒径为0.2～0.4 mm且细度模数约为2.6的河砂，聚羧酸盐高效减水剂，自来水，恒源股份有限公司生产的200目钢渣，以及寿县矿产品加工厂生产的S9粒化高炉矿渣粉。

为研究不同种类的导电填料和各自掺入量对混凝土性能的影响，本研究分别以10%、15%和20%质量比的钢渣部分替代水泥；每组均以10%的质量比的高炉矿渣替代水泥，以2%、4%和6%质量比的炭黑部分替代水泥，进而制备导电混凝土试样。在养护的第7、14、28天对试样的无侧限抗压强度进行测量，在第7、14、21、28天对试样的电阻率进行测量。为进行比较，制备了不含导电填料的普通混凝土试样作为对照组。所有设计的导电混凝土和对照试样的具体配合比见表1。

表1 导电混凝土试样和对照组配合比设计Table 1 Design of mixture ratio of conductive concrete sample and control groupkg/m3编号水泥碎石河砂水减水剂矿渣钢渣石墨对照4501 3028841606.700013601 3028841606.74545923601 3028841606.745451833601 3028841606.745452743371 3028841606.74567.5953371 3028841606.74567.51863371 3028841606.74567.52773151 3028841606.74590983151 3028841606.745901893151 3028841606.7459027

1.2 钢渣炭黑复相导电混凝土的制备

将与掺量炭黑质量比为10%的分散剂和与掺入炭黑质量比为5%的偶联剂，加入到80 ml的炭黑-水溶液中。为充分发挥分散剂和偶联剂性能，对溶液搅拌480 s，随后振动处理暂停以防止温度过高。待液体温度降至(21±2) ℃时，将水泥、石子、河砂等材料在搅拌机中干燥混合300 s。在前30 s混合结束后，将高炉矿渣和钢渣进行搅拌。同时，将加入高效减水剂的活化炭黑溶液分为两等量。在300 s的混合过程结束后，将第一部分溶液均匀洒在混合材料表面，再搅拌80 s。待搅拌结束之后，将第二部分溶液再均匀洒在混合材料表面，再搅拌200 s，最终制作出导电混凝土拌合物。随后将导电混凝土拌合物放入模具中振动30 s，待初凝后脱模，再将所有导电混凝土试样分别置于湿度(95±5)%、温度(20±1)℃环境的养护箱中进行养护，并在养护的第7、14、21、28天进行试验测试。

所有导电混凝土的试样尺寸设计成3种，第1种试样尺寸为50 mm×50 mm×50 mm，以进行试样的无侧限抗压强度试验；第2种试样尺寸为50 mm×50 mm×200 mm，以进行弯曲试验；第3种试样尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，以进行导电性能试验。

1.3 力学性能试验

分别在养护的第7、14、28天对导电混凝土试样进行无侧限抗压强度试验和弯曲试验，以研究钢渣和石墨的不同取代比对各个龄期导电混凝土力学性能的影响。无侧限抗压试验和弯曲试验均采用YAW-4206型压力试验机，加载过程如图1所示。

(a) 混凝土试样无侧限抗压强度试验

为保证取得准确的试验值，加载速率不宜过快。进行无侧限抗压强度试验时加载机速率控制为0.6 MPa/s，进行弯曲试验时加载机速率控制为0.03 MPa/s，对所有试样加载直至试样破坏，加载系统自动记录荷载-位移结果。导电混凝土试样的抗弯强度可通过式(1)进行计算。

(1)

式中:ft为弯曲强度，MPa;F为断裂荷载，N;L为跨长，mm;h为样本横截面高度，mm;b为样本横截面宽度，mm。

1.4 导电性试验

在试样养护的第7、14、21和28天，分别对试样进行电阻率测量。混凝土试样导电率的测试采用四电极法，其结构示意图如图2所示。将试样浇铸成100 mm×100 mm×400 mm，金属网以平行于截面的120 mm间距均匀粘于试样表面，数字万用表通过铜线连接金属网面对电阻进行测量。电阻率的数值可用式(2)进行计算。

图2 四电极法装置示意图(单位：mm)

(2)

式中:ρ为混凝土的电阻率，ω/m;U为电压，V;I为电流，A;A为样品的横截面积，m2。

2 结果与讨论

钢渣炭黑复相导电混凝土试样在各个龄期的力学性能如表2所示，试样在各个龄期的电阻率结果如表3所示。根据试验结果，分别对不同配比、不同龄期下的力学性能和导电性能进行分析。

2.1 无侧限抗压强度分析

首先，由表2可知，若炭黑掺入量保持不变，钢渣的掺入会降低炭黑导电混凝土的无侧限抗压强度。如图3所示，保持炭黑掺量与水泥的比值为4%不变，钢渣掺量从10%增加到20%，导电混凝土7 d无侧限抗压强度从36.8 MPa下降到28.4MPa，与对照试样(40.0 MPa)相比，分别降低8%和29%；28 d无侧限抗压强度则从51.6 MPa下降到42.0 MPa，与对照试样(52.0 MPa)相比，分别降低0.8%和19%。钢渣对混凝土中颗粒分布的影响可能是导致导电混凝土黏结性降低的原因，同时，掺入钢渣和矿渣会导致粗填补集料之间产生较大的空隙，从而使其抗压强度明显下降。

表2 不同龄期下钢渣炭黑复相导电混凝土试样的力学性能Table 2 Mechanical properties of steel slag carbon black multiphase conductive concrete samples at different ages组号导电填料掺量/%无侧限抗压强度/MPa抗弯强度 /MPa钢渣矿渣炭黑7 d14 d28 d7 d14 d28 d对照00040.046.852.03.23.74.1110%10%2%42.048.053.33.23.84.2210%10%4%36.845.751.62.83.54.0310%10%6%27.837.844.42.42.93.2415%10%2%36.244.550.62.83.64.0515%10%4%34.842.949.12.73.33.9615%10%6%25.534.143.22.53.03.3720%10%2%31.840.745.42.63.43.9820%10%4%28.435.0422.53.23.7920%10%6%20.929.138.72.42.93.4

表3 不同龄期下钢渣炭黑复相导电混凝土试样的电阻率Table 3 Resistivity of steel slag carbon black multiphase conductive concrete samples at different ages组号导电填料掺量/%电阻率/(Ω·cm)钢渣矿渣炭黑7 d14 d21 d28 d对照0002 030 4392 430 8782 700 7874 415 682110%10%2%320 221469 890560 386631 742210%10%4%80 64785 391166 988158 681310%10%6%42 00042 98883 01185 084415%10%2%210 306276 751439 865515 227515%10%4%37 28854 25468 23580 567615%10%6%23 08437 08639 28343 571720%10%2%165 790206 201201 019325 637820%10%4%4 7066 7586 73410 079920%10%6%1 4302 0071 9823 176

图3 炭黑4%时无侧限抗压强度与钢渣含量关系图

其次，养护龄期对钢渣炭黑复相导电混凝土的强度也有显著影响。在养护第7天时，无侧限抗压强度约为养护第28天抗压强度的65%，养护第14天时的平均抗压强度增长到最终抗压强度的90%。

同时，与钢渣相比，炭黑更为显著地降低了导电混凝土所有固化龄期的抗压强度。如图4所示，在钢渣掺入量为15%的试验组中炭黑占比从2%上升到6%，在养护第7天时的无侧限抗压强度相对于对照组试样分别降低了9.5%和36.3%，养护第28天时的强度相较于对照组分别降低了2.7%和16.9%。其原因可能为：炭黑具有更小的粒子结构和光滑的微观结构表面，降低了功能团聚体与浆料之间界面过渡区的黏合率。

图4 钢渣15%时无侧限抗压强度与炭黑含量关系图

2.2 抗弯强度分析

首先，由表2可知，当保持导电混凝土中炭黑的掺量不变时，钢渣掺入量的增大会降低导电混凝土试样的弯曲强度。如图5所示，保持导电混凝土中炭黑与水泥的比值为4%不变，钢渣的掺量从10%增加到20%，则导电混凝土试样的7 d抗弯强度从2.8 MPa下降到2.5 MPa，与对照组试样抗弯强度(3.2 MPa)相比，分别降低了12.5%和21.9%；试样的28 d抗弯强度从4.0 MPa下降到3.7 MPa，与对照组试样抗弯强度(4.1 MPa)相比，分别降低了2.4%和9.7%。

图5 炭黑4%时抗弯强度与钢渣含量关系图

其次，炭黑对导电混凝土抗弯性能的负面影响比钢渣更高，这与抗压强度的结果是一致的。如图6所示，保持导电混凝土中钢渣比例为15%不变，随着炭黑掺量从2%增加到6%，相对于对照组试样，7 d的抗弯强度分别降低了12.5%和21.9%，28 d抗弯强度分别降低了2.5%和19.5%。这一现象归因于炭黑的润滑效应，炭黑表面的润滑度降低了骨料之间的附着力。

图6 钢渣15%时抗弯强度与炭黑含量关系图

2.3 电阻率及导电性能分析

由表3可知，加入钢渣后混凝土的导电性能得到了明显提升。如图7所示，保持炭黑的掺量为2%不变，当钢渣的掺量从10%升至20%时，导电混凝土试样的28 d电阻率降低49%，从631 742Ω·cm降至325 637 Ω·cm。保持炭黑的掺量为4%不变，当钢渣的掺量从10%升至20%时，导电混凝土试样的28 d电阻率降低96%，从158 681 Ω·cm降至10 079 Ω·cm。龄期对钢渣炭黑复相导电混凝土的导电性也有显著影响，在所有的钢渣炭黑复相导电混凝土试样中，与完全固化的样品相比，龄期较小的试样具有较低的电阻率，这种现象是因为水分子会对混凝土的导电性能产生影响。

图7 炭黑含量不变时电阻率与钢渣含量关系图

同时，通过比较炭黑和钢渣分别对钢渣炭黑复相导电混凝土电阻率的影响程度，可知炭黑对钢渣炭黑复相导混凝土电阻率的影响更加敏感。如图8所示，保持钢渣掺量为20%不变，炭黑与水泥的比值从2%增加到6%时，导电混凝土试样的7 d电阻率比对照组的电阻率下降了91.9%和99.9%，28 d电阻率比对照组的电阻率下降了92.6%和99.9%。这是因为相对于钢渣，炭黑具有更小的颗粒和更为优良的导电性能。

图8 钢渣含量为20%时电阻率与炭黑含量关系图

综上所述，根据电阻率试验和力学性能试验得出的规律可以得出：以4%的炭黑水泥比、高炉矿渣、钢渣分别以10%和20%替代胶凝材料的配合比为本研究中的最优配合比。这是因为该配比下的导电混凝土具有良好的力学性能，无侧限抗压强度为42 MPa，抗弯强度为3.7 MPa。此外，该配合比的试样还测出了10 079 Ω·cm的良好电阻率，仅为普通混凝土电阻的0.23%。

2.4 显微结构的评估

为研究新型复相固废导电混凝土的各项性能与各组分之间的关系，本研究从微观角度揭示最优配比下力学性能与导电性能良好平衡的原因。用电子显微镜对含20%钢渣、10%高炉矿渣和4%炭黑的优化钢渣炭黑复相导电混凝土试样进行扫描，微观结构如图9所示。可知导电填料颗粒均匀分布在骨料-水合硅酸钙界面上，加速了新型钢渣炭黑复相导电混凝土晶体结构和水合硅酸钙凝胶的生成，同时钢渣和高炉矿渣在承载时起到刚性骨架的作用，将凝胶内部的微孔充分填充，以此增强集料与膏体之间的粘结摩擦，从而显著提高力学性能。同时，由于炭黑颗粒较小，且表面光滑，可以均匀填充混凝土内部的微孔形成导电网，又使混凝土具有良好的导电性能。这是由于具有巨大正方形尖锐边缘的渣固体作为微平台，可以在新型钢渣炭黑复相导电混凝土基体中捕获炭黑。