磁鐵礦-銅爐渣導電混凝土路面力學性能及導電性能試驗研究

彭立勇,岳 銘

(1.湖南省交通運輸廳規(guī)劃與項目辦公室，湖南 長沙 410014；2.湖南省交通科學研究院有限公司，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，通過摻入導電材料替代部分水泥作為膠凝材料和導電材料，可以制備出電阻率較低的高性能導電混凝土。導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)件陰極保護等領域，作為混凝土路面在公路路面除冰等領域也具有較好的應用前景。導電混凝土中摻入的常用導電材料有炭黑粉、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電性能以及較高的密度和強度，可以成為替代常用材料炭黑的可行填料。同時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，其制備出來的導電混凝土由于低成本和高性能使其具備優(yōu)良的應用前景。

單一導電相制備的導電混凝土雖然可以達到導電性能的要求，但是也存在穩(wěn)定性能差、制備成本高、力學性能較差等問題[6-7]。為解決這一問題，研究人員采用多種導電相復合摻入制備導電混凝土。司瓊[8-9]等研究人員通過研究石墨和碳纖維復合摻入制備的導電混凝土的導電性能，研究結(jié)果表明：當石墨的摻入量和碳纖維的摻入量(質(zhì)量分數(shù))分別為0.24%和16%時，試樣的綜合性能最優(yōu)。采用兩相導電材料制備導電混凝土是目前提高導電混凝土穩(wěn)定性能和導電性能的重要途徑。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電性能，但在混摻時，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電混凝土性能的影響及顯著程度，對16組導電混凝土試樣進行立方體抗壓試驗、三點彎曲試驗和電阻率試驗，采用極差分析法相關理論，分析磁鐵礦和銅爐渣對導電混凝土力學性能和導電性能的影響，以期進一步為導電混凝土路面的推廣應用提供試驗支撐。

2 試驗概況

2.1 試驗材料

本研究導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；武漢鋼鐵集團公司生產(chǎn)的銅爐渣。

2.2 試驗配合比

本研究根據(jù)體積法進行配合比設計。導電混凝土的基準混凝土配合比如下：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 試樣設計與制備

為研究磁鐵礦和銅爐渣對導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)量分數(shù)的磁鐵礦和銅爐渣替代水泥制備導電混凝土進行正交試驗設計。本研究采用干濕攪拌相結(jié)合的方法制作導電混凝土試塊，對不同質(zhì)量分數(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行試驗設計，并按標準方法制備了48個150 mm×150 mm×150 mm的立方體試樣和96個100 mm×100 mm×400 mm的長方體試樣，共計16組對比試件，共計144個導電混凝土試樣。試樣在標準條件下養(yǎng)護，分別在第7天、第14天、第28天對試樣的立方體抗壓強度和三點抗彎強度進行測量，并在第7天、第14天、第28天進行電阻率測量。

3 試驗測試方法

3.1 力學性能試驗

導電混凝土的立方體抗壓強度和三點抗彎強度測試嚴格按照相關國家標準[10]進行，分別在養(yǎng)護第7天、第14天、第28天對試樣進行導電混凝土的立方體抗壓試驗和三點彎曲試驗，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性能的影響。其中，導電混凝土的立方體抗壓試驗選用HYE-2000型壓力試驗機，導電混凝土的三點彎曲試驗選用YAW-4206型壓力試驗機，加載示意圖如圖1所示。

(a)抗壓試驗

導電混凝土力學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?？箯潖姸瓤捎檬?1)計算：

(1)

式中:ft為試樣的極限抗彎強度,MPa;F為試樣彎曲破壞時的荷載,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

導電混凝土待試樣養(yǎng)護至第7天、第14天和第28天時進行電阻率測試，如圖2所示。試樣均為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體。在導電混凝土試樣澆筑時，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)計算。

圖2 導電混凝土電阻率測試示意圖(單位：mm，非按實際比例)

(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 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

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

4.1 立方體抗壓強度分析

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，導電混凝土的立方體抗壓強度先提高后降低，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%，導電混凝土28 d的立方體抗壓強度從42.3 MPa增長至45.7 MPa，然后再降低至30.6 MPa，即抗壓強度先增高8%，隨后又降低至初始強度的72%。當磁鐵礦摻入量為5%時，立方體抗壓強度最高，達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，導電混凝土的立方體抗壓強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%，導電混凝土28 d的立方體抗壓強度從42.3 MPa增長至44.6 MPa，然后再降低至36.1 MPa，即抗壓強度先增高5.4%，隨后又降低至初始強度的85%。當銅爐渣摻入量為10%時，立方體抗壓強度最高，達44.6 MPa。

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

表1 磁鐵礦-銅爐渣導電混凝土試驗結(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)抗壓強度/MPa抗彎強度/MPa導電率/(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，導電混凝土的抗彎強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%，導電混凝土28 d的抗彎強度從4.12 MPa降低至4.05 MPa，然后再大幅降低至2.64 MPa，即抗壓強度先降低2%，隨后降低36%。當磁鐵礦摻入量為0時，抗彎強度最高。

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，導電混凝土的抗彎強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%，導電混凝土28 d的抗彎強度從4.12 MPa增長至4.16 MPa，然后再降低至3.16 MPa，即抗彎強度先增高1%，隨后又降低至初始強度的77%。當銅爐渣摻入量為10%時，抗彎強度最高，達4.16 MPa。

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

(a)未摻入銅爐渣

4.3 導電性能分析

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合摻入的導電混凝土，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，導電混凝土電阻率隨著銅爐渣占比的增大而降低；當銅爐渣摻入10%，磁鐵礦占比對電阻率的影響如圖5(d)所示，導電混凝土電阻率隨著磁鐵礦占比的增大而降低?？紤]到導電混凝土力學性能的變化規(guī)律，當磁鐵礦摻入量為5%以及銅爐渣摻入量為10%時，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

從前面試驗結(jié)果可知，由磁鐵礦和銅爐渣分別制備的導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電混凝土成為新的選擇。由于同時摻入磁鐵礦和銅爐渣兩種導電材料，混凝土制備過程中的攪拌次數(shù)增多，同時由于磁鐵礦和銅爐渣的聯(lián)合導電作用，使得磁鐵礦-銅爐渣導電混凝土的電阻率較單一導電相導電混凝土的電阻率有所下降。

當摻入5%磁鐵礦和10%銅爐渣時，導電混凝土試樣的抗壓強度較高，電阻率較小。為了進一步探究磁鐵礦-銅爐渣導電混凝土的作用機理，對此配比制得的導電混凝土試樣進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電材料之間容易形成導電團體，銅爐渣則可以實現(xiàn)導電團體之間導電性能的連接，進而提升導電混凝土的導電性能[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，進而保證了導電混凝土的力學性能，磁鐵礦-銅爐渣之間的協(xié)同作用，可以在提高混凝土導電性能的基礎上盡可能保證其力學性能的穩(wěn)定。

6 結(jié)論

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

a.對于磁鐵礦或者銅爐渣單一摻入的導電混凝土，其試樣的立方體抗壓強度隨著其摻入量先提高后降低，其試樣的抗彎強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合摻入的導電混凝土，其立方體抗壓強度和抗彎強度均隨復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合摻入的導電混凝土，其抗壓和抗彎強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。當磁鐵礦替代水泥摻量為5%，銅爐渣替代水泥摻量為10%時，磁鐵礦-銅爐渣導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電團體，銅爐渣則可以實現(xiàn)導電團體之間導電性能的連接。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電性能的基礎上盡可能保證其力學性能的穩(wěn)定。