利用風(fēng)淬鋼渣制備導(dǎo)電盲道磚的實(shí)驗(yàn)研究*

彭 佳

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，多組元合金德陽市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽 618000)

低溫天氣的人行道會積雪結(jié)冰，造成人們行走困難，甚至造成安全事故。撒融雪劑和人工鏟雪是傳統(tǒng)的除冰雪方式，但是存在著效率低，費(fèi)用高，污染環(huán)境，易腐蝕結(jié)構(gòu)構(gòu)件等問題，尋找新的融雪化冰方式成為亟待解決的問題。導(dǎo)電混凝土(Electrically Conductive Concrete，ECC)的出現(xiàn)，為道路融雪化冰開辟了新的思路[1-5]。導(dǎo)電混凝土是往普通混凝土中摻入導(dǎo)電介質(zhì)來降低其電阻，從而利用電熱效應(yīng)來融雪化冰，具有高效、廉價和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的研究價值。

盲道磚是為盲人安全出行提供便利的道路設(shè)施。研發(fā)具有電熱效應(yīng)的盲道磚，對于保障包括盲人在內(nèi)的行人安全出行具有重要意義。但是，目前關(guān)于導(dǎo)電盲道磚的研究還很缺乏。

制備導(dǎo)電盲道磚的關(guān)鍵在于選擇合適的導(dǎo)電材料。綜合目前各種技術(shù)，導(dǎo)電材料不外乎兩類：一類是導(dǎo)電顆粒，一類是導(dǎo)電纖維，二者的導(dǎo)電機(jī)制不同，實(shí)際中常將兩類材料復(fù)合使用以獲得更好的導(dǎo)電效果[6]。

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的固體廢渣，價格低廉，產(chǎn)量巨大，具有良好的導(dǎo)電性能。碳纖維因?yàn)榭估瓘?qiáng)度高和彈性模量大，常常被用于建筑結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)加固。而碳纖維還具有耐高溫、高導(dǎo)電和耐腐蝕等特性，能作為導(dǎo)電材料應(yīng)用。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)篩選，我們發(fā)現(xiàn)大摻量鋼渣和小摻量碳纖維組合的方案具有良好的技術(shù)效果和成本優(yōu)勢。利用該方案制備了一大批具有電熱效應(yīng)的導(dǎo)電盲道磚樣品，優(yōu)化了其配方，并研究了其電熱規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及主要儀器

(1)水泥：P·O 42.5R的普通硅酸鹽水泥，利森水泥。

(2)鋼渣，主要化學(xué)成分為：Al2O3含量6.07%，F(xiàn)eO含量22.30%， CaO含量26.85%，MgO含量5.63%，SiO2含量22.60%，鋼渣細(xì)度為24目。

(3)短切碳纖維：拉伸強(qiáng)度3500 MPa，密度1.75 g/cm3，電阻率1.0～1.6 Ω·cm，標(biāo)準(zhǔn)長度6 mm，纖維直徑7 μm，廣東東麗。

(4)電極網(wǎng)：304不銹鋼篩網(wǎng)，孔徑4目，絲徑0.4 mm；

(5)低壓穩(wěn)壓直流電源，電壓精度為0.001 V，電流精度為0.001 A，華誼電氣。

(6)數(shù)顯單點(diǎn)紅外測溫槍，測溫范圍：-38～520 ℃，精確到0.1 ℃，德力西電氣。

(7)水泥膠砂攪拌機(jī)。

(8)小型混凝土振實(shí)臺。

1.2 樣品制備

根據(jù)盲道磚模具尺寸，將電極網(wǎng)裁剪為邊長25 cm的正方形，在電極網(wǎng)上連接上銅導(dǎo)線備用。盲道磚的制備分三層進(jìn)行，上下層為水泥砂漿，中間層為導(dǎo)電砂漿。先在模具底部刷油，鋪底層1 cm厚的M10水泥砂漿，放入下層電極網(wǎng)，然后鋪2 cm厚的導(dǎo)電砂漿，再放入上層電極網(wǎng)，最后鋪面層1 cm 厚的M10水泥砂漿。將試件整體放到混凝土振動臺上振動 60 s左右，直到試件面層不再冒氣泡為止。在水泥終凝前用抹刀進(jìn)行二次抹面收光。將試件1 d以后脫模，在室溫條件下進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。制備單塊盲道磚試件的原材料配合比如表1所示。其中，水泥砂漿利用人工拌合。導(dǎo)電砂漿利用水泥膠砂攪拌機(jī)制備，具體步驟如下：先將水和碳纖維放入攪拌鍋，高速攪拌 30 s使碳纖維均勻分散，隨即加入水泥低速攪拌30 s，再利用加砂漏斗加入鋼渣和ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，繼續(xù)低速攪拌30 s，再高速攪拌30 s，然后停拌90 s，用工具將攪拌葉片上附著的膠砂刮入攪拌鍋，最后高速攪拌30 s，即完成導(dǎo)電砂漿的制備。

表1 單塊盲道磚試件原材料比例Table 1 Raw material proportion of single blind brick sample

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在室溫條件下，利用低壓直流電源，對盲道磚試件進(jìn)行了的電熱實(shí)驗(yàn)研究。為了便于對比，在測試樣品上事先隨機(jī)標(biāo)注了6個測試點(diǎn)，如圖1所示。電熱實(shí)驗(yàn)中，利用紅外測溫槍每隔一定時間依次采集6個測試點(diǎn)的溫度，每個點(diǎn)測試三次，取平均值，溫度精確到0.1 ℃。

圖1 盲道磚樣品測試點(diǎn)示意圖Fig.1 Test points of blind brick samples

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同電壓作用下的電熱實(shí)驗(yàn)

在不同電壓作用下，導(dǎo)電混凝土的電學(xué)參數(shù)會發(fā)生變化[7]。實(shí)驗(yàn)研究了60 d齡期的盲道磚試件在5～30 V直流電壓作用下的電熱規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。試件放在實(shí)驗(yàn)工作臺面上散熱。圖2中的溫度數(shù)據(jù)為盲道磚樣品上6個測試點(diǎn)的平均值。可以看出，隨著通電時間延長，試件表面溫度能逐漸升高。試件表面的發(fā)熱效率隨電壓增加而增大。在較低電壓加載下(5～10 V)，試件60 min的溫升值很小，尤其是5 V加載下，溫度幾乎沒有上升，說明較低的電壓并不能使大量電子產(chǎn)生定向移動，進(jìn)而產(chǎn)生熱效應(yīng)。在30 V加載下，試件的發(fā)熱效果最好，通電60 min，溫升達(dá)到了20.7 ℃。同時，30 V曲線相對于25 V曲線有明顯的跳躍式增長，符合擊穿電壓的特征?？紤]到人體安全電壓(36 V)限制，工程實(shí)際應(yīng)用加載電壓不宜超過36 V，綜合考慮認(rèn)為30 V電壓具有重要的研究價值。

圖2 5～30 V直流電壓作用下升溫結(jié)果Fig.2 Temperature rise results under the action of 5～30 V DC voltage

2.2 電流和表面溫度的關(guān)系

圖3 電流和溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between current and temperature

在實(shí)際工程中，要直接監(jiān)測大面積盲道磚表面的溫度比較困難，而通過量測電流來推算盲道磚表面溫度，這對工程實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。圖4顯示了在30 V電壓下，試件表面溫度和電流之間的關(guān)系，其中，表面溫度為6個測試點(diǎn)的平均值。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)曲線，通過軟件擬合，確定其擬合公式為二次函數(shù)：

圖4 30 V電壓作用下電流與表面溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between current and surface temperature under 30 V voltageT=A+BX+CX2

(1)

式中：T——試件表面溫度，℃

1——擬合系數(shù)，147.38666

2——擬合系數(shù)，-353.0867

3——擬合系數(shù)，244.65412

X——電流，A

這樣，通過監(jiān)測盲道磚電熱實(shí)驗(yàn)中的電流，可以根據(jù)該公式大致推算出表面溫度?？梢钥闯觯?dāng)試件電流上升，功率上升，試件表面溫度與電流滿足二次拋物線規(guī)律。

2.3 長時間通電實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際工程中，盲道磚的下方是水泥砂漿層，散熱效果顯然不同于實(shí)驗(yàn)工作臺。為了模擬工程實(shí)際，在試件下方鋪2 cm厚含水率為2%的河砂墊層，利用30 V直流電壓進(jìn)行了長時間通電實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著通電時間延長，試件表面的溫度上升趨勢是先快后慢，但是發(fā)熱效果比在實(shí)驗(yàn)臺上明顯降低。這是因?yàn)槌睗竦暮由皦|層散熱能力更強(qiáng)，從而降低了試件的表面溫度的上升速率。通電60 min，試件表面溫度僅升高了11.7 ℃。通電150 min以后，曲線趨于平緩，通電180 min時，表面溫度達(dá)到極限值42.5 ℃，相對于初值，此時溫升值達(dá)到了20.5 ℃，180 min到200 min內(nèi)試件表面的溫度基本都保持恒定。

圖5 30 V長時間通電升溫結(jié)果Fig.5 Results of 30 V long-time power on and temperature rise

2.4 化冰實(shí)驗(yàn)

利用兩個盲道磚模具，分別注入600 mL自來水，制備了兩塊1 cm厚的冰塊。將冰塊分別放置在盲道磚表面進(jìn)行通電融化和自然融化。室溫20 ℃，濕度78%。試件下方仍然鋪 2 cm厚含水率為2%的河砂墊層，加載30 V直流電壓進(jìn)行化冰實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)熱盲道磚上的冰塊融化進(jìn)程明顯更快，在 45 min時即融化完畢，而此時自然融化的冰塊還有約0.8 cm厚。自然融化的冰塊完全融化用了154 min。隨著電熱化冰的進(jìn)行，部分融化水滲透進(jìn)入了試件內(nèi)部，導(dǎo)致試件內(nèi)部含水率上升，導(dǎo)電性能明顯增強(qiáng)，電流持續(xù)增大，發(fā)熱功率持續(xù)增加，使得化冰進(jìn)程加速進(jìn)行。

通電120 min內(nèi)電流變化情況如圖6所示。通電最初5 min內(nèi)，電流的下降，可以認(rèn)為是極化作用，5 min達(dá)到電流最小值0.605 A，此時的功率為290.4 W/m2，5 min以后電流開始穩(wěn)定上升，通電80 min，電流達(dá)到最大值3.803A，此時功率也達(dá)到最大值1825 W/m2。80 min以后電流開始回落，說明此時滲入試件內(nèi)部的水分因?yàn)槭軣嵴舭l(fā)而大量失去，使得試件電阻開始回升，電流減小，120 min時的電流值和53 min時的電流值相等。在通電的120 min內(nèi)，融化水分的滲入并沒有引起電路短路的現(xiàn)象。通電120 min時，試件表面的平均溫度已達(dá)到了54.2 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了干燥狀態(tài)下試件的表面極限溫度 42.5 ℃，這是由于發(fā)熱功率增大引起表面溫升值更大。

圖6 化冰實(shí)驗(yàn)電流結(jié)果Fig.6 Current results of ice melting experiment

利用導(dǎo)電混凝土的電熱效應(yīng)融雪化冰時，根據(jù)能量守恒定律，導(dǎo)電混凝土通電所產(chǎn)生的熱量， 應(yīng)等于混凝土升溫的蓄熱量、冰雪升溫及融化吸收的熱量和熱量損失三者之和。其關(guān)系可表示如下[9-10]：

PΔt=mCpΔT+miCpiΔTi+Qlmi+QS

(2)

式中：m、Cp、ΔT分別為導(dǎo)電混凝土的質(zhì)量、比熱和升高的溫度，mi、Cpi、ΔTi分別為冰的質(zhì)量、比熱和冰升高的溫度，P為導(dǎo)電混凝土的發(fā)熱功率；Δt為通電時間;Ql為冰的熔解熱，Ql=334 kJ/kg；mi為冰塊的質(zhì)量；QS為融雪化冰過程中導(dǎo)電混凝土或冰、雪與周圍環(huán)境的熱量損失，假定忽略熱量損失。經(jīng)過估算，當(dāng)環(huán)境為-30 ℃時，假設(shè)盲道磚升溫到0 ℃，考慮通電時間120 min限制，盲道磚融化表面1 cm厚的冰塊所需的最低發(fā)熱功率約為784 W/m2，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定的電流變化情況可知，通電30 min后，發(fā)熱功率已經(jīng)超過該值，說明該盲道磚在低溫環(huán)境仍然具有一定的融雪化冰潛力。

3 結(jié) 論

利用鋼渣加碳纖維的復(fù)摻體系，制備了具有電熱效應(yīng)的盲道磚，研究了其在不同工況下的電熱規(guī)律，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電盲道磚具有融雪化冰的應(yīng)用潛力。本文主要結(jié)論如下：

(1)5～30 V電壓作用下，盲道磚試件的表面溫升值隨電壓增加而增加，其中，30 V發(fā)熱效果最好，通電60 min，表面溫升能達(dá)到20.7 ℃。

(2)在30 V電壓作用下，試件的電阻隨溫度升高而減小，通過擬合發(fā)現(xiàn)電流和試件表面的溫度滿足二次函數(shù)規(guī)律。

(3)室溫條件下，以潮濕河砂作為墊層，30 V電壓下，通電180 min時，試件表面的極限溫度為42.5 ℃，前后溫升達(dá)到了20.5 ℃。

(4)室溫條件下，30 V直流電壓作用下，導(dǎo)電盲道磚能在45 min時融化表面1 cm厚的冰塊，與之對應(yīng)，自然融化相同規(guī)格的冰塊需要154 min。