新型復相固廢導電混凝土路面力學與導電性能試驗研究

李 建,莊寶利

(湖南省交通科學研究院有限公司,湖南 長沙 410015)

0 引言

導電混凝土是指將導電材料部分替換原骨料所制備得到的混凝土，其可以利用導電產(chǎn)生熱量提升自身溫度，能在公路路面除冰和路面除雪等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[1-3]。常用的混凝土導電材料有石墨、炭黑、碳纖維等，其中炭黑具有良好的導電性且密度相對較彽、電阻率小，但由于炭黑材料強度低且易產(chǎn)生滑移，會對混凝土的力學性能造成一定影響[4-6]。因此，需要通過引入其他填料和設(shè)定炭黑含量的閾值來平衡混凝土的導電性能和力學性能。

煉鋼廢渣(鋼渣)等金屬廢渣具有較大的密度和較高的強度，可成為導電混凝土中替代部分炭黑的可行填料。同時，混凝土材料中摻入礦渣固體可表現(xiàn)出較強的抗堿硅、硫酸鹽和氯化物侵蝕能力與抗膠凝復合材料熱開裂的能力[7-9]。在力學性能方面，鋼渣顆粒由于具有粗糙的微尺度表面，可以改善集料與膠凝膏體之間的粘結(jié)摩擦，進而改善混凝土的力學性能。此外，工業(yè)廢渣都具有火山灰性質(zhì)，如果將工業(yè)廢渣合理地摻入混凝土中，可以替代水泥從而減少水泥生產(chǎn)過程中的污染排放，還可以減少礦渣堆積，顯示出環(huán)境友好性和成本效益的潛力[10]。因此，本研究旨在通過試驗研究和微觀分析研究出炭黑和廢渣的最佳配合比，使制備得到的導電混凝土在導電性能和力學性能之間達到較好的平衡，本研究可為導電混凝土路面的推廣應用提供必要的研究基礎(chǔ)。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

在本試驗中制備導電混凝土所用的材料有：52.5R普通硅酸鹽水泥，粒徑5～10 mm的碎石，粒徑為0.2～0.4 mm且細度模數(shù)約為2.6的河砂，聚羧酸鹽高效減水劑，自來水，恒源股份有限公司生產(chǎn)的200目鋼渣，以及壽縣礦產(chǎn)品加工廠生產(chǎn)的S9?；郀t礦渣粉。

為研究不同種類的導電填料和各自摻入量對混凝土性能的影響，本研究分別以10%、15%和20%質(zhì)量比的鋼渣部分替代水泥；每組均以10%的質(zhì)量比的高爐礦渣替代水泥，以2%、4%和6%質(zhì)量比的炭黑部分替代水泥，進而制備導電混凝土試樣。在養(yǎng)護的第7、14、28天對試樣的無側(cè)限抗壓強度進行測量，在第7、14、21、28天對試樣的電阻率進行測量。為進行比較，制備了不含導電填料的普通混凝土試樣作為對照組。所有設(shè)計的導電混凝土和對照試樣的具體配合比見表1。

表1 導電混凝土試樣和對照組配合比設(shè)計Table 1 Design of mixture ratio of conductive concrete sample and control groupkg/m3編號水泥碎石河砂水減水劑礦渣鋼渣石墨對照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 鋼渣炭黑復相導電混凝土的制備

將與摻量炭黑質(zhì)量比為10%的分散劑和與摻入炭黑質(zhì)量比為5%的偶聯(lián)劑，加入到80 ml的炭黑-水溶液中。為充分發(fā)揮分散劑和偶聯(lián)劑性能，對溶液攪拌480 s，隨后振動處理暫停以防止溫度過高。待液體溫度降至(21±2) ℃時，將水泥、石子、河砂等材料在攪拌機中干燥混合300 s。在前30 s混合結(jié)束后，將高爐礦渣和鋼渣進行攪拌。同時，將加入高效減水劑的活化炭黑溶液分為兩等量。在300 s的混合過程結(jié)束后，將第一部分溶液均勻灑在混合材料表面，再攪拌80 s。待攪拌結(jié)束之后，將第二部分溶液再均勻灑在混合材料表面，再攪拌200 s，最終制作出導電混凝土拌合物。隨后將導電混凝土拌合物放入模具中振動30 s，待初凝后脫模，再將所有導電混凝土試樣分別置于濕度(95±5)%、溫度(20±1)℃環(huán)境的養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，并在養(yǎng)護的第7、14、21、28天進行試驗測試。

所有導電混凝土的試樣尺寸設(shè)計成3種，第1種試樣尺寸為50 mm×50 mm×50 mm，以進行試樣的無側(cè)限抗壓強度試驗；第2種試樣尺寸為50 mm×50 mm×200 mm，以進行彎曲試驗；第3種試樣尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，以進行導電性能試驗。

1.3 力學性能試驗

分別在養(yǎng)護的第7、14、28天對導電混凝土試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗和彎曲試驗，以研究鋼渣和石墨的不同取代比對各個齡期導電混凝土力學性能的影響。無側(cè)限抗壓試驗和彎曲試驗均采用YAW-4206型壓力試驗機，加載過程如圖1所示。

(a) 混凝土試樣無側(cè)限抗壓強度試驗

為保證取得準確的試驗值，加載速率不宜過快。進行無側(cè)限抗壓強度試驗時加載機速率控制為0.6 MPa/s，進行彎曲試驗時加載機速率控制為0.03 MPa/s，對所有試樣加載直至試樣破壞，加載系統(tǒng)自動記錄荷載-位移結(jié)果。導電混凝土試樣的抗彎強度可通過式(1)進行計算。

(1)

式中:ft為彎曲強度，MPa;F為斷裂荷載，N;L為跨長，mm;h為樣本橫截面高度，mm;b為樣本橫截面寬度，mm。

1.4 導電性試驗

在試樣養(yǎng)護的第7、14、21和28天，分別對試樣進行電阻率測量?；炷猎嚇訉щ娐实臏y試采用四電極法，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。將試樣澆鑄成100 mm×100 mm×400 mm，金屬網(wǎng)以平行于截面的120 mm間距均勻粘于試樣表面，數(shù)字萬用表通過銅線連接金屬網(wǎng)面對電阻進行測量。電阻率的數(shù)值可用式(2)進行計算。

圖2 四電極法裝置示意圖(單位：mm)

(2)

式中:ρ為混凝土的電阻率，ω/m;U為電壓，V;I為電流，A;A為樣品的橫截面積，m2。

2 結(jié)果與討論

鋼渣炭黑復相導電混凝土試樣在各個齡期的力學性能如表2所示，試樣在各個齡期的電阻率結(jié)果如表3所示。根據(jù)試驗結(jié)果，分別對不同配比、不同齡期下的力學性能和導電性能進行分析。

2.1 無側(cè)限抗壓強度分析

首先，由表2可知，若炭黑摻入量保持不變，鋼渣的摻入會降低炭黑導電混凝土的無側(cè)限抗壓強度。如圖3所示，保持炭黑摻量與水泥的比值為4%不變，鋼渣摻量從10%增加到20%，導電混凝土7 d無側(cè)限抗壓強度從36.8 MPa下降到28.4MPa，與對照試樣(40.0 MPa)相比，分別降低8%和29%；28 d無側(cè)限抗壓強度則從51.6 MPa下降到42.0 MPa，與對照試樣(52.0 MPa)相比，分別降低0.8%和19%。鋼渣對混凝土中顆粒分布的影響可能是導致導電混凝土黏結(jié)性降低的原因，同時，摻入鋼渣和礦渣會導致粗填補集料之間產(chǎn)生較大的空隙，從而使其抗壓強度明顯下降。

表2 不同齡期下鋼渣炭黑復相導電混凝土試樣的力學性能Table 2 Mechanical properties of steel slag carbon black multiphase conductive concrete samples at different ages組號導電填料摻量/%無側(cè)限抗壓強度/MPa抗彎強度 /MPa鋼渣礦渣炭黑7 d14 d28 d7 d14 d28 d對照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 不同齡期下鋼渣炭黑復相導電混凝土試樣的電阻率Table 3 Resistivity of steel slag carbon black multiphase conductive concrete samples at different ages組號導電填料摻量/%電阻率/(Ω·cm)鋼渣礦渣炭黑7 d14 d21 d28 d對照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

圖3 炭黑4%時無側(cè)限抗壓強度與鋼渣含量關(guān)系圖

其次，養(yǎng)護齡期對鋼渣炭黑復相導電混凝土的強度也有顯著影響。在養(yǎng)護第7天時，無側(cè)限抗壓強度約為養(yǎng)護第28天抗壓強度的65%，養(yǎng)護第14天時的平均抗壓強度增長到最終抗壓強度的90%。

同時，與鋼渣相比，炭黑更為顯著地降低了導電混凝土所有固化齡期的抗壓強度。如圖4所示，在鋼渣摻入量為15%的試驗組中炭黑占比從2%上升到6%，在養(yǎng)護第7天時的無側(cè)限抗壓強度相對于對照組試樣分別降低了9.5%和36.3%，養(yǎng)護第28天時的強度相較于對照組分別降低了2.7%和16.9%。其原因可能為：炭黑具有更小的粒子結(jié)構(gòu)和光滑的微觀結(jié)構(gòu)表面，降低了功能團聚體與漿料之間界面過渡區(qū)的黏合率。

圖4 鋼渣15%時無側(cè)限抗壓強度與炭黑含量關(guān)系圖

2.2 抗彎強度分析

首先，由表2可知，當保持導電混凝土中炭黑的摻量不變時，鋼渣摻入量的增大會降低導電混凝土試樣的彎曲強度。如圖5所示，保持導電混凝土中炭黑與水泥的比值為4%不變，鋼渣的摻量從10%增加到20%，則導電混凝土試樣的7 d抗彎強度從2.8 MPa下降到2.5 MPa，與對照組試樣抗彎強度(3.2 MPa)相比，分別降低了12.5%和21.9%；試樣的28 d抗彎強度從4.0 MPa下降到3.7 MPa，與對照組試樣抗彎強度(4.1 MPa)相比，分別降低了2.4%和9.7%。

圖5 炭黑4%時抗彎強度與鋼渣含量關(guān)系圖

其次，炭黑對導電混凝土抗彎性能的負面影響比鋼渣更高，這與抗壓強度的結(jié)果是一致的。如圖6所示，保持導電混凝土中鋼渣比例為15%不變，隨著炭黑摻量從2%增加到6%，相對于對照組試樣，7 d的抗彎強度分別降低了12.5%和21.9%，28 d抗彎強度分別降低了2.5%和19.5%。這一現(xiàn)象歸因于炭黑的潤滑效應，炭黑表面的潤滑度降低了骨料之間的附著力。

圖6 鋼渣15%時抗彎強度與炭黑含量關(guān)系圖

2.3 電阻率及導電性能分析

由表3可知，加入鋼渣后混凝土的導電性能得到了明顯提升。如圖7所示，保持炭黑的摻量為2%不變，當鋼渣的摻量從10%升至20%時，導電混凝土試樣的28 d電阻率降低49%，從631 742Ω·cm降至325 637 Ω·cm。保持炭黑的摻量為4%不變，當鋼渣的摻量從10%升至20%時，導電混凝土試樣的28 d電阻率降低96%，從158 681 Ω·cm降至10 079 Ω·cm。齡期對鋼渣炭黑復相導電混凝土的導電性也有顯著影響，在所有的鋼渣炭黑復相導電混凝土試樣中，與完全固化的樣品相比，齡期較小的試樣具有較低的電阻率，這種現(xiàn)象是因為水分子會對混凝土的導電性能產(chǎn)生影響。

圖7 炭黑含量不變時電阻率與鋼渣含量關(guān)系圖

同時，通過比較炭黑和鋼渣分別對鋼渣炭黑復相導電混凝土電阻率的影響程度，可知炭黑對鋼渣炭黑復相導混凝土電阻率的影響更加敏感。如圖8所示，保持鋼渣摻量為20%不變，炭黑與水泥的比值從2%增加到6%時，導電混凝土試樣的7 d電阻率比對照組的電阻率下降了91.9%和99.9%，28 d電阻率比對照組的電阻率下降了92.6%和99.9%。這是因為相對于鋼渣，炭黑具有更小的顆粒和更為優(yōu)良的導電性能。

圖8 鋼渣含量為20%時電阻率與炭黑含量關(guān)系圖

綜上所述，根據(jù)電阻率試驗和力學性能試驗得出的規(guī)律可以得出：以4%的炭黑水泥比、高爐礦渣、鋼渣分別以10%和20%替代膠凝材料的配合比為本研究中的最優(yōu)配合比。這是因為該配比下的導電混凝土具有良好的力學性能，無側(cè)限抗壓強度為42 MPa，抗彎強度為3.7 MPa。此外，該配合比的試樣還測出了10 079 Ω·cm的良好電阻率，僅為普通混凝土電阻的0.23%。

2.4 顯微結(jié)構(gòu)的評估

為研究新型復相固廢導電混凝土的各項性能與各組分之間的關(guān)系，本研究從微觀角度揭示最優(yōu)配比下力學性能與導電性能良好平衡的原因。用電子顯微鏡對含20%鋼渣、10%高爐礦渣和4%炭黑的優(yōu)化鋼渣炭黑復相導電混凝土試樣進行掃描，微觀結(jié)構(gòu)如圖9所示。可知導電填料顆粒均勻分布在骨料-水合硅酸鈣界面上，加速了新型鋼渣炭黑復相導電混凝土晶體結(jié)構(gòu)和水合硅酸鈣凝膠的生成，同時鋼渣和高爐礦渣在承載時起到剛性骨架的作用，將凝膠內(nèi)部的微孔充分填充，以此增強集料與膏體之間的粘結(jié)摩擦，從而顯著提高力學性能。同時，由于炭黑顆粒較小，且表面光滑，可以均勻填充混凝土內(nèi)部的微孔形成導電網(wǎng)，又使混凝土具有良好的導電性能。這是由于具有巨大正方形尖銳邊緣的渣固體作為微平臺，可以在新型鋼渣炭黑復相導電混凝土基體中捕獲炭黑。

圖9 鋼渣炭黑復相導電混凝土在電鏡下的微觀圖

3 結(jié)論

本文深入研究了各導電填料在不同配比下對新型復相固廢導電混凝土性能的影響，確定了最優(yōu)設(shè)計配合比，結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)論如下：

a.炭黑和鋼渣的摻入均會降低混凝土的抗壓強度和抗彎強度。由于炭黑表面的潤滑度降低了骨料之間的附著力，炭黑的摻入更為顯著地降低了混凝土的抗壓強度和抗彎強度，并得出了4%的炭黑摻入比閾值。

b.鋼渣和炭黑均能提高復相導電混凝土的導電性能。其中由于炭黑具有更小的顆粒和更為優(yōu)良的導電性能，故炭黑填料對混凝土導電性能的增強效果最好。

c.本研究中的導電混凝土最優(yōu)配比為：炭黑與水泥比為4%，高爐礦渣粉和鋼渣粉分別以10%(質(zhì)量)、20%(質(zhì)量)替代水泥。該新型鋼渣炭黑復相導電混凝土，可使混凝土在力學性能和導電性能之間取得較好的平衡，同時可以降低硅酸鹽水泥的使用

d.導電填料顆?？删鶆蚍植荚诠橇?水合硅酸鈣界面之間，加速了晶體結(jié)構(gòu)和水合硅酸鈣凝膠的生成，且填料顆粒可均勻分布在混凝土內(nèi)部以形成導電網(wǎng)絡(luò)。鋼渣和高爐礦渣在承載時起到剛性骨架的作用，將凝膠內(nèi)部的微孔充分填充，保證了導電混凝土的力學性能。