利用风淬钢渣制备导电盲道砖的实验研究*

彭 佳

(四川建筑职业技术学院材料工程系，多组元合金德阳市重点实验室，四川 德阳 618000)

低温天气的人行道会积雪结冰，造成人们行走困难，甚至造成安全事故。撒融雪剂和人工铲雪是传统的除冰雪方式，但是存在着效率低，费用高，污染环境，易腐蚀结构构件等问题，寻找新的融雪化冰方式成为亟待解决的问题。导电混凝土(Electrically Conductive Concrete，ECC)的出现，为道路融雪化冰开辟了新的思路[1-5]。导电混凝土是往普通混凝土中掺入导电介质来降低其电阻，从而利用电热效应来融雪化冰，具有高效、廉价和环保等优点，具有重要的研究价值。

盲道砖是为盲人安全出行提供便利的道路设施。研发具有电热效应的盲道砖，对于保障包括盲人在内的行人安全出行具有重要意义。但是，目前关于导电盲道砖的研究还很缺乏。

制备导电盲道砖的关键在于选择合适的导电材料。综合目前各种技术，导电材料不外乎两类：一类是导电颗粒，一类是导电纤维，二者的导电机制不同，实际中常将两类材料复合使用以获得更好的导电效果[6]。

钢渣是炼钢过程中产生的固体废渣，价格低廉，产量巨大，具有良好的导电性能。碳纤维因为抗拉强度高和弹性模量大，常常被用于建筑结构的补强加固。而碳纤维还具有耐高温、高导电和耐腐蚀等特性，能作为导电材料应用。经过大量实验筛选，我们发现大掺量钢渣和小掺量碳纤维组合的方案具有良好的技术效果和成本优势。利用该方案制备了一大批具有电热效应的导电盲道砖样品，优化了其配方，并研究了其电热规律。

1 实 验

1.1 原材料及主要仪器

(1)水泥：P·O 42.5R的普通硅酸盐水泥，利森水泥。

(2)钢渣，主要化学成分为：Al2O3含量6.07%，FeO含量22.30%， CaO含量26.85%，MgO含量5.63%，SiO2含量22.60%，钢渣细度为24目。

(3)短切碳纤维：拉伸强度3500 MPa，密度1.75 g/cm3，电阻率1.0～1.6 Ω·cm，标准长度6 mm，纤维直径7 μm，广东东丽。

(4)电极网：304不锈钢筛网，孔径4目，丝径0.4 mm；

(5)低压稳压直流电源，电压精度为0.001 V，电流精度为0.001 A，华谊电气。

(6)数显单点红外测温枪，测温范围：-38～520 ℃，精确到0.1 ℃，德力西电气。

(7)水泥胶砂搅拌机。

(8)小型混凝土振实台。

1.2 样品制备

根据盲道砖模具尺寸，将电极网裁剪为边长25 cm的正方形，在电极网上连接上铜导线备用。盲道砖的制备分三层进行，上下层为水泥砂浆，中间层为导电砂浆。先在模具底部刷油，铺底层1 cm厚的M10水泥砂浆，放入下层电极网，然后铺2 cm厚的导电砂浆，再放入上层电极网，最后铺面层1 cm 厚的M10水泥砂浆。将试件整体放到混凝土振动台上振动 60 s左右，直到试件面层不再冒气泡为止。在水泥终凝前用抹刀进行二次抹面收光。将试件1 d以后脱模，在室温条件下进行自然养护。制备单块盲道砖试件的原材料配合比如表1所示。其中，水泥砂浆利用人工拌合。导电砂浆利用水泥胶砂搅拌机制备，具体步骤如下：先将水和碳纤维放入搅拌锅，高速搅拌 30 s使碳纤维均匀分散，随即加入水泥低速搅拌30 s，再利用加砂漏斗加入钢渣和ISO标准砂，继续低速搅拌30 s，再高速搅拌30 s，然后停拌90 s，用工具将搅拌叶片上附着的胶砂刮入搅拌锅，最后高速搅拌30 s，即完成导电砂浆的制备。

表1 单块盲道砖试件原材料比例Table 1 Raw material proportion of single blind brick sample

1.3 实验方法

在室温条件下，利用低压直流电源，对盲道砖试件进行了的电热实验研究。为了便于对比，在测试样品上事先随机标注了6个测试点，如图1所示。电热实验中，利用红外测温枪每隔一定时间依次采集6个测试点的温度，每个点测试三次，取平均值，温度精确到0.1 ℃。

图1 盲道砖样品测试点示意图Fig.1 Test points of blind brick samples

2 实验结果与分析

2.1 不同电压作用下的电热实验

在不同电压作用下，导电混凝土的电学参数会发生变化[7]。实验研究了60 d龄期的盲道砖试件在5～30 V直流电压作用下的电热规律，结果如图2所示。试件放在实验工作台面上散热。图2中的温度数据为盲道砖样品上6个测试点的平均值。可以看出，随着通电时间延长，试件表面温度能逐渐升高。试件表面的发热效率随电压增加而增大。在较低电压加载下(5～10 V)，试件60 min的温升值很小，尤其是5 V加载下，温度几乎没有上升，说明较低的电压并不能使大量电子产生定向移动，进而产生热效应。在30 V加载下，试件的发热效果最好，通电60 min，温升达到了20.7 ℃。同时，30 V曲线相对于25 V曲线有明显的跳跃式增长，符合击穿电压的特征。考虑到人体安全电压(36 V)限制，工程实际应用加载电压不宜超过36 V，综合考虑认为30 V电压具有重要的研究价值。

图2 5～30 V直流电压作用下升温结果Fig.2 Temperature rise results under the action of 5～30 V DC voltage

2.2 电流和表面温度的关系

图3 电流和温度的关系Fig.3 Relationship between current and temperature

在实际工程中，要直接监测大面积盲道砖表面的温度比较困难，而通过量测电流来推算盲道砖表面温度，这对工程实际应用具有重要意义。图4显示了在30 V电压下，试件表面温度和电流之间的关系，其中，表面温度为6个测试点的平均值。根据本次实验曲线，通过软件拟合，确定其拟合公式为二次函数：

图4 30 V电压作用下电流与表面温度的关系Fig.4 Relationship between current and surface temperature under 30 V voltageT=A+BX+CX2

(1)

式中：T——试件表面温度，℃

1——拟合系数，147.38666

2——拟合系数，-353.0867

3——拟合系数，244.65412

X——电流，A

这样，通过监测盲道砖电热实验中的电流，可以根据该公式大致推算出表面温度。可以看出，当试件电流上升，功率上升，试件表面温度与电流满足二次抛物线规律。

2.3 长时间通电实验

在实际工程中，盲道砖的下方是水泥砂浆层，散热效果显然不同于实验工作台。为了模拟工程实际，在试件下方铺2 cm厚含水率为2%的河砂垫层，利用30 V直流电压进行了长时间通电实验，结果如图5所示。实验发现随着通电时间延长，试件表面的温度上升趋势是先快后慢，但是发热效果比在实验台上明显降低。这是因为潮湿的河砂垫层散热能力更强，从而降低了试件的表面温度的上升速率。通电60 min，试件表面温度仅升高了11.7 ℃。通电150 min以后，曲线趋于平缓，通电180 min时，表面温度达到极限值42.5 ℃，相对于初值，此时温升值达到了20.5 ℃，180 min到200 min内试件表面的温度基本都保持恒定。

图5 30 V长时间通电升温结果Fig.5 Results of 30 V long-time power on and temperature rise

2.4 化冰实验

利用两个盲道砖模具，分别注入600 mL自来水，制备了两块1 cm厚的冰块。将冰块分别放置在盲道砖表面进行通电融化和自然融化。室温20 ℃，湿度78%。试件下方仍然铺 2 cm厚含水率为2%的河砂垫层，加载30 V直流电压进行化冰实验。实验发现，发热盲道砖上的冰块融化进程明显更快，在 45 min时即融化完毕，而此时自然融化的冰块还有约0.8 cm厚。自然融化的冰块完全融化用了154 min。随着电热化冰的进行，部分融化水渗透进入了试件内部，导致试件内部含水率上升，导电性能明显增强，电流持续增大，发热功率持续增加，使得化冰进程加速进行。

通电120 min内电流变化情况如图6所示。通电最初5 min内，电流的下降，可以认为是极化作用，5 min达到电流最小值0.605 A，此时的功率为290.4 W/m2，5 min以后电流开始稳定上升，通电80 min，电流达到最大值3.803A，此时功率也达到最大值1825 W/m2。80 min以后电流开始回落，说明此时渗入试件内部的水分因为受热蒸发而大量失去，使得试件电阻开始回升，电流减小，120 min时的电流值和53 min时的电流值相等。在通电的120 min内，融化水分的渗入并没有引起电路短路的现象。通电120 min时，试件表面的平均温度已达到了54.2 ℃，远远超过了干燥状态下试件的表面极限温度 42.5 ℃，这是由于发热功率增大引起表面温升值更大。

图6 化冰实验电流结果Fig.6 Current results of ice melting experiment

利用导电混凝土的电热效应融雪化冰时，根据能量守恒定律，导电混凝土通电所产生的热量， 应等于混凝土升温的蓄热量、冰雪升温及融化吸收的热量和热量损失三者之和。其关系可表示如下[9-10]：

PΔt=mCpΔT+miCpiΔTi+Qlmi+QS

(2)

式中：m、Cp、ΔT分别为导电混凝土的质量、比热和升高的温度，mi、Cpi、ΔTi分别为冰的质量、比热和冰升高的温度，P为导电混凝土的发热功率；Δt为通电时间;Ql为冰的熔解热，Ql=334 kJ/kg；mi为冰块的质量；QS为融雪化冰过程中导电混凝土或冰、雪与周围环境的热量损失，假定忽略热量损失。经过估算，当环境为-30 ℃时，假设盲道砖升温到0 ℃，考虑通电时间120 min限制，盲道砖融化表面1 cm厚的冰块所需的最低发热功率约为784 W/m2，根据实验测定的电流变化情况可知，通电30 min后，发热功率已经超过该值，说明该盲道砖在低温环境仍然具有一定的融雪化冰潜力。

3 结 论

利用钢渣加碳纤维的复掺体系，制备了具有电热效应的盲道砖，研究了其在不同工况下的电热规律，发现导电盲道砖具有融雪化冰的应用潜力。本文主要结论如下：

(1)5～30 V电压作用下，盲道砖试件的表面温升值随电压增加而增加，其中，30 V发热效果最好，通电60 min，表面温升能达到20.7 ℃。

(2)在30 V电压作用下，试件的电阻随温度升高而减小，通过拟合发现电流和试件表面的温度满足二次函数规律。

(3)室温条件下，以潮湿河砂作为垫层，30 V电压下，通电180 min时，试件表面的极限温度为42.5 ℃，前后温升达到了20.5 ℃。

(4)室温条件下，30 V直流电压作用下，导电盲道砖能在45 min时融化表面1 cm厚的冰块，与之对应，自然融化相同规格的冰块需要154 min。