風(fēng)淬鋼渣用于制備導(dǎo)電混凝土的試驗研究

1、第 8卷第 3期 2005年 6月建 筑 材 料 學(xué) 報JO U RN A L OF BU IL DIN G M AT ER IAL SVo l. 8, No. 3Jun. , 2005收稿日期 :2003-12-22; 修訂日期 :2005-01-17基金項目 :國家自然科學(xué)基金資助項目 (50404005作者簡介 :錢覺時 (1961- , 男 , 安徽人 , 重慶大學(xué)教授 , 博士生導(dǎo)師 , 博士 .文章編號 :1007-9629(2005 03-0233-06風(fēng)淬鋼渣用于制備導(dǎo)電混凝土的試驗研究錢覺時 , 李長太 , 唐祖全 , 王 智(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 , 重慶 4000

2、45摘要 :考慮到風(fēng)淬鋼渣含有較多的導(dǎo)電組分以及具有較好的顆粒特征 , 將其用于配制導(dǎo) 電混凝土 , 并探討其相關(guān)的電學(xué)性能和力學(xué)性能 . 研究結(jié)果表明 , 用風(fēng)淬鋼渣配制的混凝 土具有較低的體積電阻率和優(yōu)異的力學(xué)強度 , 且其體積電阻率隨齡期的增長保持了比較 好的穩(wěn)定性 .關(guān)鍵詞 :導(dǎo)電混凝土 ; 風(fēng)淬鋼渣 ; 體積電阻率 ; 強度 中圖分類號 :T U 528 文獻標(biāo)識碼 :AExperimental Study on Electric Conductive Concrete Madefrom Steel S lag Quenching with WindQI AN J ue -shi ,

3、 L I Chang-tai, T AN G Zu -quan, WA N G Zhi(School of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, ChinaAbstract:A electr ic conductive concrete w as made fro m the steel slag quenching w ith w ind (SSQW because a lot of electric conductive substances exist in SSQW. T h

4、e ex perimental results show that addition of SSQW in concrete can effectively decrease bulk electric resistivity o f con -crete while the co ncrete retains excellent mechanical properties, and that the bulk electric resis -tivity of the concrete has goo d stability w ith age.Key words:electric cond

5、uctive co ncrete; steel slag quenching w ith w ind(SSQW ; bulk electr ic resistivity; streng th導(dǎo)電混凝土可因?qū)щ娤嗉虾湍z凝材料的不同而具有不同的導(dǎo)電能力 . 導(dǎo)電混凝土目前可應(yīng) 用的領(lǐng)域有 :建筑采暖地面、 環(huán)境加熱、 高速公路的自動監(jiān)控和運動中的質(zhì)量稱量 , 以及大型結(jié)構(gòu)微 裂紋監(jiān)測等 16.目前國內(nèi)外用于配制導(dǎo)電混凝土的材料有石墨、 碳纖維和鋼屑等 , 但這些材料價格都比較昂 貴 . 如 Xie 等7在混凝土中摻入體積分數(shù)為 15%20%的鋼屑和體積分數(shù)為 1. 5%2. 0%鋼纖維 , 使混

6、凝土的造價增加了 4倍 , 達到 250美元 /m 3. 因此 , 采用價格低廉的導(dǎo)電材料是導(dǎo)電混凝土 能否得到推廣應(yīng)用的前提 .鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的廢渣 , 其主要化學(xué)組分為 CaO, SiO 2, FeO. 鋼渣排放前一般要進行預(yù) 處理 . 目前國內(nèi)外較成熟的鋼渣預(yù)處理工藝有水淬法、 熱潑法、 盤潑淬冷法、 風(fēng)淬法等 . 風(fēng)淬法通常 是將鋼渣進行風(fēng)淬、 急冷處理 . 由風(fēng)淬法處理而得的外觀呈黑色狀的鋼渣稱為風(fēng)淬鋼渣 .由于鋼渣含有較多的鐵相及具有較好的顆粒特征 , 故筆者用其配制了導(dǎo)電混凝土 , 然后探討了 所配混凝土的導(dǎo)電性能及力學(xué)性能 .1 試驗材料與方法試驗用水泥為 42. 5R

7、普通硅酸鹽水泥 . 石墨為市售石墨粉 . 風(fēng)淬鋼渣的主要物理性質(zhì)見表 1, 化學(xué)組成見表 2.表 1 風(fēng)淬鋼渣的物理性質(zhì)T able 1 Physical properties of SSQ WApparent dens ity/(kg m -3 Bulk density/(kg m -3 Finess modulu s Water ab sorption (by mass /% 358021122. 871. 9表 2 風(fēng)淬鋼渣的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of S SQW w /% CaO SiO 2FeO M gO Al 2O 3M nO Na 2O

8、 K 2O f -CaO 42. 8019. 0226. 395. 812. 531. 501. 030. 090. 40在風(fēng)淬鋼渣顆粒中 , 存在 2種不同顆粒特征的鋼渣 :一種是完全球狀的鋼渣 , 其量約占總質(zhì)量 的 30%左右 ; 另一種為非球狀的鋼渣 , 其量約占總質(zhì)量的 70%左右 . 風(fēng)淬鋼渣顆粒粒徑主要集中在 0. 3155. 0mm 內(nèi) , 占總質(zhì)量的 80%以上 . 本文如無特殊說明 , 風(fēng)淬鋼渣均為過 5. 0mm 篩的原狀 鋼渣 .電極的制作對混凝土導(dǎo)電性的測試非常重要 . 采用將石墨布粘結(jié)在試件外表面的方法可取得 較好的效果 , 但電極容易脫落損壞 , 因此選擇將電極埋

9、入混凝土中的方法 . 此外 , 電極不能生銹 , 因 為生銹后電阻會增大 , 故本試驗研究選用不銹鋼薄板作為電極 (尺寸為 30mm 30mm . 電極上要 鉆孔 , 并使孔的直徑大于風(fēng)淬鋼渣的最大粒徑 , 以確保電極兩邊的混凝土能相互連通 .將一定比例的水泥、 風(fēng)淬鋼渣混合 , 干拌 1m in, 然后加水?dāng)嚢杈鶆?. 采用尺寸為 40mm 40 mm 160mm 的膠砂試模 . 將 2塊不銹鋼電極片垂直于試件縱向布置 , 間距為 120mm. 試件成型 后過 1d 脫模 , 然后將試件放入水中養(yǎng)護至待測齡期 , 取出 , 晾干 .抗壓強度試驗每組試件數(shù)為 3, 試驗參照 GB/T177 1

10、985 水泥膠砂強度檢驗方法 進行 . 體積 電阻率測試每組試件數(shù)為 69, 試驗參照 GB/T1410 1989 固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻 率試驗方法 進行 . 抗壓強度及體積電阻率測試結(jié)果均為所有試件的平均值 . 體積電阻率計算公式 為 : =R A/L , 其中 : 為體積電阻率 , k cm ; A 為橫截面積 , cm 2; L 為長度 , cm; R 為電阻 , k .2 試驗結(jié)果與分析2. 1 不同導(dǎo)電材料配制的導(dǎo)電混凝土性能比較表 3是采用不同導(dǎo)電材料配制的導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電性能測試結(jié)果 (表 3中也附帶列出了導(dǎo)電 混凝土 28d 的抗壓強度 . 表 3顯示 :以適量風(fēng)淬

11、鋼渣作為導(dǎo)電材料而配制的導(dǎo)電混凝土的體積電 阻率可以達到比較令人滿意的結(jié)果 .2. 2 風(fēng)淬鋼渣摻量對混凝土體積電阻率的影響圖 1是不同風(fēng)淬鋼渣摻量下混凝土體積電阻率的測試結(jié)果 , 其中風(fēng)淬鋼渣與水泥的質(zhì)量比 (集 灰比 從 0增加至 5. 0. 從圖 1可以看出 :(1 當(dāng)集灰比從 0增加至 0. 5, 即風(fēng)淬鋼渣摻量從 0開始小 幅度增加時 , 混凝土體積電阻率從 140k cm 降低到 110k cm, 體積電阻率變化不大 ; (2 當(dāng) 集灰比從 0. 5變化至 1. 0時 , 混凝土體積電阻率由 110k cm 迅速降低至 20k cm ; (3 當(dāng)集 灰比大于 1. 0后 , 混凝土

12、體積電阻率隨風(fēng)淬鋼渣摻量的增加趨于平緩 .表 3 不同導(dǎo)電混凝土的體積電阻率T able 3 Bulk electric resistivity of electric conductive concretes made from d ifferent condu ctive materialsM ix proportion (by massConductive material Cement Water Bulk electric resistivity/(k cm7d 28d28d compressive strength/M PaSSQW 1. 04. 01. 01. 00. 2600.

13、 26011. 21. 820. 03. 076. 9 67. 9Graphite 0. 10. 21. 01. 00. 2800. 3001. 30. 12. 60. 215. 3 3. 6Steel shaving 70. 151. 00. 60. 835. 0實際上 , 混凝土體積電阻率隨風(fēng)淬鋼渣摻量的變化反映了均勻分散在水泥基體中風(fēng)淬鋼渣彼 此間的接觸情況 . 當(dāng)風(fēng)淬鋼渣摻量較低時 , 其均勻分散于水泥基體中 , 由于此時風(fēng)淬鋼渣顆粒很少 , 彼此之間接觸可能性較小 , 故此時風(fēng)淬鋼渣的摻入并不能明顯降低混凝土的體積電阻率 ; 隨著風(fēng)淬 鋼渣摻量的增加 , 風(fēng)淬鋼渣雖然仍被水泥基體隔開

14、 , 但彼此間已相距較近 , 電子可以通過隧道效應(yīng) 進行傳導(dǎo) , 此時混凝土體積電阻率開始明顯降低 ; 隨著風(fēng)淬鋼渣摻量的不斷增大 , 相鄰的風(fēng)淬鋼渣 開始相互接觸 , 形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò) , 這時混凝土體積電阻率將顯著降低 ; 而后雖風(fēng)淬鋼渣摻量繼續(xù)增加 , 但對已形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)未產(chǎn)生明顯的影響 , 故混凝土體積電阻率盡管仍繼續(xù)下降 , 但下降速度變 緩 .2. 3 混凝土體積電阻率隨齡期的變化圖 2是未摻與摻風(fēng)淬鋼渣混凝土 (m (水泥 m (風(fēng)淬鋼渣 =1 2 的體積電阻率隨齡期的變化 情況 . 圖 2表明 , 未摻風(fēng)淬鋼渣混凝土體積電阻率隨齡期的增長迅速增大 , 而摻風(fēng)淬鋼渣混凝土圖 1 風(fēng)

15、淬鋼渣摻量對混凝土體積電阻率的 影響Fig. 1 Effect o f the co ntent o f SSQ W o n t he bulk elect ric r esist ivity o f co ncr ete圖 2 風(fēng)淬鋼渣混凝土體積電阻率隨齡期 的變化Fig. 2 Chang e of the bulk elect ric r esist ivity of SSQ W co ncrete w ith ag es的體積電阻率隨齡期的增長變化不大 . 這意味著摻風(fēng)淬鋼渣混凝土的體積電阻率隨齡期變化的穩(wěn) 定性比未摻風(fēng)淬鋼渣混凝土要好 . 未摻風(fēng)淬鋼渣混凝土主要是靠孔隙水中的離子導(dǎo)電

16、, 而隨齡期的 增加 , 未摻風(fēng)淬鋼渣混凝土孔隙則被水化產(chǎn)物逐漸填充 , 孔隙不斷減少 , 自由水量不斷降低 , 因此其 體積電阻率不斷增加 ; 而在摻風(fēng)淬鋼渣混凝土中 , 雖然也存在離子導(dǎo)電 , 但其主要依靠導(dǎo)電組分進 行導(dǎo)電 , 因此混凝土體積電阻率隨齡期的變化不大 . 另外 , 摻風(fēng)淬鋼渣混凝土 3d 體積電阻率低于 1 d 體積電阻率 . 產(chǎn)生這一現(xiàn)象含要是因為在 1d 體積電阻率測試后 , 試件放入水中養(yǎng)護 , 試件含水 量有一定程度的增加 , 因而導(dǎo)致其體積電阻率降低的緣故 . 如果考慮到這一點 , 則摻風(fēng)淬鋼渣混凝 土體積電阻率隨齡期的變化會更小 .2. 4 風(fēng)淬鋼渣形態(tài)對混凝土

17、體積電阻率的影響表 4給出的是經(jīng)不同時間粉磨而呈不同形態(tài)的風(fēng)淬鋼渣對混凝土體積電阻率影響的試驗結(jié)果 (表 4中也附帶列出了混凝土 28d 的抗壓強度 . 風(fēng)淬鋼渣粉磨 1h 后已呈粉末狀態(tài) . 從表 4可以看 出 :混凝土體積電阻率隨風(fēng)淬鋼渣粉磨時間的延長而降低 ; 由粉磨 4h 風(fēng)淬鋼渣而配制的混凝土其 28d 體積電阻率僅為 3. 5k cm, 明顯低于未進行粉磨的風(fēng)淬鋼渣混凝土 .2. 5 風(fēng)淬鋼渣導(dǎo)電混凝土的強度表 5給出的是風(fēng)淬鋼渣導(dǎo)電混凝土的強度測試結(jié)果 . 從表 5可以看出 :當(dāng)風(fēng)淬鋼渣摻量在適當(dāng) 范圍內(nèi)時 , 其對導(dǎo)電混凝土強度沒有不利影響 , 只有當(dāng)風(fēng)淬鋼渣與水泥質(zhì)量比超過

18、4 1后 , 導(dǎo)電混 凝土強度才有較明顯的降低 ; 與石墨導(dǎo)電混凝土相比 , 風(fēng)淬鋼渣導(dǎo)電混凝土表現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)性 能 .表 4 風(fēng)淬鋼渣形態(tài)對混凝土體積電阻率的影響Table 4 Bu lk electric resistivity of concretes made from different forms of SSQ WM ix proportion(by mass Cem ent SS QW Water Groundingtime/hBulk electric resistivity/(k cm3d 7d 14d 28d28d com pres sive strength/M Pa

19、1. 01. 00. 26809. 711. 013. 720. 076. 9 1. 01. 00. 33416. 57. 39. 513. 270. 1 1. 01. 00. 34023. 15. 67. 19. 064. 0 1. 01. 00. 35232. 13. 34. 65. 558. 3 1. 01. 00. 35041. 52. 83. 03. 550. 5表 5 風(fēng)淬鋼渣導(dǎo)電混凝土的強度Table 5 S trength of electric conductive concrete made from S SQWM ix proportion(by mass Cement

20、SSQW Graphite WaterDensity/(g cm -3Flexural strength/M Pa3d 28d 90dCompressive strength/M Pa 3d 28d 90d1. 0000. 2602. 257. 3110. 3112. 0742. 166. 579. 5 1. 00. 300. 2692. 349. 1012. 2113. 6748. 871. 184. 0 1. 00. 500. 2672. 409. 2113. 5214. 4949. 874. 189. 1 1. 00. 800. 2682. 469. 4513. 7614. 8951.

21、475. 991. 6 1. 01. 000. 2682. 569. 7513. 2115. 1252. 476. 989. 5 1. 02. 000. 2682. 659. 4312. 6014. 5948. 374. 288. 6 1. 03. 000. 3042. 708. 7411. 5613. 0744. 671. 579. 3 1. 04. 000. 3262. 678. 4310. 3112. 3637. 367. 976. 6 1. 05. 000. 3572. 627. 208. 3210. 3134. 359. 263. 0 1. 000. 10. 28015. 31. 0

22、00. 20. 3003. 6圖 3反映的是風(fēng)淬鋼渣導(dǎo)電混凝土抗壓強度的發(fā)展情況 . 從圖 3可以看出 , 風(fēng)淬鋼渣與水泥質(zhì) 量比在 1 1左右時還有利于導(dǎo)電混凝土后期抗壓強度的發(fā)展 .3 鋼渣混凝土導(dǎo)電特性分析3. 1 鋼渣中導(dǎo)電組分分析鋼渣中因 FeO 的含量 (18%30% 較高 , 故其電導(dǎo)率極高 . Thannhauser 8對 FeO 的電導(dǎo)率 -1-16 236建 筑 材 料 學(xué) 報 第 8卷就在 1001000 -1m -1左右 . 本文在初期試驗時 , 通過摻入質(zhì)量分數(shù)為 20%FeO, 水泥漿體的 體積電阻率可從 1. 4 105 cm 迅速降低到 5 102 cm , 這

23、也表明 FeO 能顯著降低混凝土的 體積電阻率 .圖 3 風(fēng)淬鋼渣導(dǎo)電混凝土的抗壓強度發(fā)展 Fig. 3 Development o f co mpr essive strength ofSSQW electr ic co nduct ive concrete鋼渣主 要組分 包括 CaO, SiO 2, FeO, M g O, MnO, Al 2O 3, P 2O 5, f -CaO 9, 本文采用的 風(fēng)淬鋼 渣的化學(xué)組分見表 2. 圖 4是風(fēng)淬鋼渣的礦物組 成 . 從圖 4可以看出 , 風(fēng)淬鋼渣主要含有 C 2S, C 3A 和鐵的化合物 , 而鐵的氧化物中 FeO 占有較高的 比例 . 因

24、此可以認為風(fēng)淬鋼渣中導(dǎo)電組分為 FeO, 其他組分因電導(dǎo)率較低或含量太低而對風(fēng)淬鋼渣 電導(dǎo)率沒有太大的影響 .3. 2 鋼渣混凝土導(dǎo)電性能的改善與應(yīng)用從電導(dǎo)率看 , 鋼渣中導(dǎo)電組分 FeO 并不遜色 于碳纖維 , 但由于 FeO 是固 溶在鋼渣中的 , 即其 被其他組分阻隔 , 因此鋼渣實際電導(dǎo)率不僅比碳纖維低 , 甚至還低于其他可用于混凝土中的導(dǎo)電材料 .從鋼渣的形成特點來看 , 鋼渣是煉鋼過程中形成的殘渣 , 爐料中一些元素如 Fe 被氧化后生成 氧化物 , 最后形成固溶體 , 而這些固溶體一般被包裹在硅酸二鈣和鋁酸三鈣中 . 如對鋼渣進行粉磨 , 可以破壞固溶體的連續(xù)狀態(tài) , 更充分地將

25、導(dǎo)電組分 FeO 暴露出來 , 提高導(dǎo)電組分之間的接觸 , 使其 導(dǎo)電性增加 ; 另外 , 在鋼渣總量不變的情況下 , 隨鋼渣的細化 , 導(dǎo)電組分之間距離減小 , 也可使鋼渣 導(dǎo)電性提高 . 因此如將鋼渣同時以顆粒狀和粉末狀形式摻入到混凝土中 , 將可以明顯提高混凝土的 導(dǎo)電性能 .圖 4 風(fēng)淬鋼渣的礦物 組成 F ig. 4 X RD pattern of SSQ W從鋼渣的顆粒特征以及來源情況來看 , 以鋼渣代替集料用于混凝土并不需改變現(xiàn)有混凝土的 施工工藝條件 , 而且對新拌混凝土性能和硬化混凝土的性能均沒有明顯的不利影響 . 實際使用時因 為不存在成本問題 , 可以在混凝土中摻入很高比

26、例的鋼渣 , 因此可以通過擴大導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電截 面積來達到所需的導(dǎo)電性能要求 .4 結(jié)論1. 將風(fēng)淬鋼渣摻入到水泥基體中 , 混凝土體積電阻率可從 1. 4 105cm 降低到 3 103237第 3期錢覺時等 :風(fēng)淬鋼渣用于制備導(dǎo)電混凝土的試驗研究238 建 筑 材 料 學(xué) 報 第8卷 2. 以風(fēng)淬鋼渣作為導(dǎo)電組分配制出的混凝土, 不僅具有比較好的導(dǎo)電性能, 而且還具有比較優(yōu) 異的力學(xué)性能. 3. 風(fēng)淬鋼渣導(dǎo)電混凝土的體積電阻率隨齡期增長保持有較好的穩(wěn)定性. 參考文獻: 1 2 李仁相. 導(dǎo)電混凝土采暖地面 J . 混凝土, 1998, ( 6 : 47, 48. H O U Jiangy

27、uan, CH U N G D D L. Cat hodic protect ion of st eel rein forced con crete f acilit at ed by u sing carb on f iber rein f orced mort ar or con cret e J . Cem Concr R es, 1997, 27( 5 : 649- 656. 3 4 5 6 7 8 9 S HI Zeng Q iang, CH U N G D D L. Carbon f iber reinf orced con cret e f or t raf fic monit oring an d w eig hing in mot ion J . Cem C on cr R es, 1999, 29( 4 : 435- 439. FU X uli, CHU N G D D L. S elf m onit oring in carb on fi ber reinf orced mort ar by react ance m easuremen t J