低电压下钢纤维石墨导电混凝土升温性能研究.pdf

2 0 1 3年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUC I 2 01 3 No 6 J u n e 低 电压下钢纤维石墨导电混凝土升温性能研究 钱 兴 ， 赵若红 ， 傅 继 阳 ( 广州大学广东高校结构安全与健康监测工程技术研究中心； 广州市结构安全与健康监测重点实验室， 5 1 0 0 0 6 ) 摘要 ： 在 混凝土 中掺加钢 纤维和石 墨制备道路桥 梁融雪除冰 用导 电混凝 土， 并在 3 6 V人体安全 电压作用下 进行升 温实验 ， 得 出不 同配合 比导 电混凝 土升温性能 曲线 ， 通过对 比分析发现 混合掺加钢 纤维和石 墨材 料比单独 使 用 一 种 材 料 的 升 温 性 能要 好 ， 其 中掺 加 质 量 分 数 为 2 钢 纤 维 加 1 6 7 石 墨 的 导 电 混凝 土 升 温性 能 最优 ， 且 抗 压 强度 满足 设 计 要 求 。 关键词 ： 导电混凝 土； 安全 电压 ； 融雪除冰 ； 钢纤维 ； 石墨 Ab s t r a c t ： A t y p e o f c o n d u c t i v e c o n c r e t e c o n t a i n i n g s t e e l fi b e r a n d g r a p h i t e i s d e v e l o p e d f o r h e a t i n g a n d d e i c i n g F o r t h e p u r p o s e o f o b s e r v i n g t h e h e a t i n g p e r f o r ma n c e of t h e c o n d u c t i v e c o n c r e t e ，a n h e a t i n g e x p e r i me n t i s c o n d u c t e d a t 3 6 V w h i c h i s a n s a f e v o l t a g e f o r h u ma n b o d y T h e r e s u l t s o f e x p e r i me n t s h o w t h at the h e ati n g p e r f o rm a n c e o f the c o n c r e t e b o t h a d d i n g s t e e l fi b e r a n d gra p h i t e i s b e t t e r t h a n t h a t o f t h e c o n c r e t e o n l y c o n t a i n i n g s t e e l fi b e r o r g r a p h i t e An d t h e c o n d u c r i v e c o n c r e t e c o n t a i n i n g 2 s t e e l fib e r a n d 1 6 7 g r a p h i t e h a s the b e s t h e a t i n g p e rf o r ma n c e a n d the c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e s a t i s fi e s t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s a s we l 1 Ke y wo r d s ： Co n d u c t i v e c o n c r e t e ；Hu ma n s afe t y v o l t a g e ； He a t i n g a n d d e i c i n g ； S t e e l fi b e r ； G r a p h i t e 中图分类号 ： T M3 4 4 1 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3) 0 6 3 7 0 3 0前 言 我 国北方 地 区冬 季 常常 出现冰 雪 天气 ， 2 0 0 8年 全 国范 围 出现雪 灾 ，仅 京珠 高 速就 出现 了长达 3 6 h 的持续交通堵塞。冰雪灾害对道路 、 桥涵等交通设 施 的安全性和耐久性危害严重。传统的机械除冰工 作效益低 ，撤盐 除冰等化学方法容易造成环境 污 染 更容易造成混凝土材料的氯离子侵害。因此 ， 在 不影 响结构 安全 和周边 环境 的基础上急需发展一 种高效的融雪除冰方法。上世纪 7 0年代 已经有人 提 出在混凝土中添加碳纤维 、 钢纤维等导 电材料 以 改善混凝土性能 ， 实现 自动融雪 除冰I ， 但 现有导 电混凝土融雪除冰试验一般采用的均为高电压。 A P e r e z等人嘲 利 用 2 0 0 V左 右 的 电压进 行 长 期 的融 雪 除 冰 ： C h r i s t o p h e r Y T u a n教 授 同 将 导 电 混 凝 土 应 用 到 R o c a S p u r 大桥桥面 ， 在 2 0 8 V电压作用下成功实 现了融雪除冰。但高电压融雪除冰系统在使用中难 以保证安全性， 且耗电量巨大。鉴于此 ， 本试验拟在 混凝土中添加钢纤维与石墨 ， 研发一种在人体安全 的 3 6 V 电压 下 ， 施 工 方便 ， 强 度 可靠 ， 且 升 温性 能 良 好 的融 雪除 冰混凝 土材 料 。 1试 件 的制备 1 1 原 材料 基金项 目： 广东省科技计划 国际合作项 目( 2 0 1 0 8 0 5 0 1 0 0 1 8 ) ； 教 育 部 2 0 1 2年 度 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 ( 2 0 1 2 4 41 0 1 2 0 0 1M ) 。 水 泥 ： P C 3 2 5级 ，容重 3 1 0 0 k g m 。 ，初 凝 时 间 4 5 mi n ， 碱含 量 0 6 。 砂 ： 中砂 ， 平 均 粒 径 O 2 5 0 5 mm， O 2 5 m m 粒 径砂 占 5 0 。 石 ： 1 0 2 0 m m级 配 良好 的碎石 。 减水 剂 ： T 1 2 0 ， 密度 ( 1 0 9 - s O 0 3 ) k g m ， 减水 率 1 4 ， 浅棕色微粘液体 ； 固含量 ( 2 2 + 2 ) ； 氯离子含 量 0 0 3 。 石 墨 ：导 电性 良好 的高纯石 墨粉 ，粒径 4 l O Ix m 含碳量 9 O 9 9 9 。 含水率 0 5 。 钢纤 维 ：导 电性 良好 的 C s 0 4 0 8 3 2型 钢纤 维 ， 长 ( 4 0 + 1 ) m m， 宽 ( 4 0 1 ) m m， 抗 拉强度 6 0 0 MP a 。 1 2 配合 比设计 面层 以 C 4 0混凝土配合 比设计方法确定 ， 具体 配 合 比为水 泥 ： 砂 ： 石 子 ： 水 ： 减 水 剂= 1 0 0 ： 1 3 7 ： 2 7 3 ： 0 3 6 ： 0 0 1 5 。 在面层混凝土配合比基础上， 以一 定质量比掺人钢纤维和石墨作为导电材料 ， 钢纤维 掺加 比例为 1 5 ， 石墨掺加比例分别为 0 5 6、 0 9 3 、 1 3 0 和 2 0 4。 1 3 混凝 土制 备设 备与 工艺 采 用 4 0 c mx 3 0 c mx 5 c m 混 凝 土板 模拟 融 雪 除 冰 路面。 力学性能测试采用 1 5 0 mm x 1 5 0 mr n x 1 5 0 m m立 方体试块 ， 混凝土搅拌使用 H J w一 6 0型单 卧轴强制 式搅拌机 ， 使用振捣棒振捣 ， 试件使用振动台振实 。 采用 H B Y 一 4 0 B养 护 箱进 行 养护 ，立方 体 试件 抗压 一 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 6期 混凝 土与水 泥制 品 总 第 2 0 6期 强度测 试使 用 Y E 一 1 0 0 0 E型万 能试 验机 。考 虑到 导 电混 凝 土 内含 水率 对 试件 导 电性 能 的影 响很 大 ， 导 电试验试件在养护箱标准养护 2 8 d后 ， 置于室内再 常温养护一个月 ， 总计养护时间 6 0 d 。 混 凝 土分 三层 铺装 ， 上下 各铺 一 层 l e m厚 普通 混凝 土面 层 中间层铺 3 e m 厚导 电混凝 土 。上 下两 层与中间层铺设 1 1 0钢丝网作为电极 ， 并在电极 网两端连接导线 。导电混凝土浇筑成型流程为模板 上油一底层混凝土浇筑一振动捣实 一铺设下层 电 极 网 浇 导 电混 凝 土一 振 动捣 实一 铺设 上层 电极 网一 浇 面 层 混 凝 土一 铺 平 一 振 动捣 实 一 镘 平一 覆 盖养护一 性 能试验 。 导 电混 凝土试 件 立面及 平 面如 图 1 所示 。 2升温 性能试 验及 结 果分析 2 1 升 温试验 方 案 对 6 0 d龄期 的各 组 试 件 加 3 6 V低 电压 测 量 升 温性 能 ， 试 验 电路 如 图 2所示 。电路 电压 由 T D G C 2 系 列接触 式调 压器 变压 提供 ， 定 时 2 h加 热升温 。为 了测试 导 电混 凝 土试 件 升温 的均 匀 性 ， 在 试 块 四角 3 6 V电压 度 01 1 0钢 丝 网 图 1导 电 混凝 土试 件 立 面 、 平 面 图 和中点各设置一个测点 ， 每个测点连接 K型温度传 感器 ， 温度数据采集频率为 1 次 s ， 由 D T 8 0数据采 集仪采集。测点编号布置如图 3所示。电路 中间接 人电流表进行实时电流波动监测 ， 保证整个线路运 行正常。图 4为单块导 电混凝土 的升温 曲线 ， 试验 结果 显示 ，导 电混 凝 土试 件 升温 整 体较 为 均 匀 ， 因 此 ， 下 文均 使用 中心 点 ( 测 点 3 ) 处 温度进 行 对 比。 图 2 升温试验电路图 图 3测点编号位置 2 2 单掺加钢纤维的导电混凝土升温性能 掺加 1 5 钢纤维制备 的导电混凝土试件在 3 6 V低 电压作 用下 2 h升温 曲线见 图 5 。表 1为不 同 赠 图 5不同钢纤维掺量试件的升温曲线对 比 表 1 不同钢纤维掺量导电混凝 土的升温性能及强度 一 38一 越 赠 图 4单块 导 电混 凝 土试 件 升 温 曲线 钢 纤 维 掺量 下 ，导 电混 凝 土 的升 温 数 据 和 抗 压 强 度。由表 1 可见 ， 低电压作用下 ， 混凝土的发热性能 随着钢纤维掺加量 的增加而增大 。其中掺 5 钢纤 维 混凝 土 的发热性 能最 优 3 6 V低 电压 下 通 电 2 h后 温度升高了 1 2 9 7 ， 完全可以满足道路融雪除冰的 需求。从抗压强度上来看， 随着钢纤维掺量的增加 ， 导 电混凝土的强度明显提高 ， 掺 5 钢纤维时。 混凝 土强度达到 5 1 8 5 MP a ， 较设计值提升 2 9 2 6 。 但在 试 验 过程 中观 察 到 随 着 钢 纤 维 掺 量 的 增 加 ， 混 凝 土 的 流 动性 明显 降低 ，且 钢 纤 维 容 易 产 生 结 团 现 象 ， 会增大施工难度。 2 3 单 掺石 墨 的导 电混 凝 土升温 性 能 按 0 5 6 、 0 9 3 、 1 3 O 和 2 0 4 质 量 比例 掺 加 石墨 ， 制备导电混凝土试件 。 在 3 6 V电压作用 2 h后 的升温 曲线见图 6 。表 2为不同掺量石 墨制备的导 电混凝土升温数据和抗压强度 。由表 2可见 ， 单掺 石墨 的导 电混凝土发热性能随 石 墨掺量 的增加而 提 高 。 其 中 ， 掺 2 0 4 石 墨 的导 电混凝 土发 热性 能最 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钱兴 ， 赵 若红 ， 傅继 阳 低 电压 下钢纤 维石 墨导 电混凝 土 升温性 能研究 好 ， 加热 2 h后升 温达 1 7 8 3 。 但 由于 石墨分 子层 问 范德华 力 较 低 ， 因此 ， 随石 墨 掺量 的增 大 ， 混 凝 土 强 度 明显 降低 ， 石 墨掺 量为 2 0 4 时 混 凝 土强 度仅 为 3 3 8 3 M P a ， 较设计值降低 1 5 4 2 。且石墨掺量增加 时 ， 为确保混凝土流动性 ， 须增加用水量 因此 混 凝土强度将进一步降低。 越 赠 时 间 s 图 6 不 同石墨掺量试件 的升温曲线对 比 表 2 不 同石墨掺量 导电混凝 土的升温性能及强度 2 4混掺钢纤 维和石墨 的导 电混凝土升温性能对 比分 析 考虑 到单掺钢纤维或单掺石墨制备 的导 电混 凝土均有不足之处 ， 进行 了混掺钢纤维和石墨制备 导电混凝土的试验研究 ，以充分发挥二者的优势 ， 得到高强高发热的导电混凝土。 在 前 期试 验 基 础上 ，采用 掺 2 钢 纤 维 、 1 3 0 石 墨 ， 2 钢 纤 维 、 1 6 7 石 墨 和 3 钢 纤 维 、 1 3 O 石 墨三种混掺配方进行对比( 表 3 ) 。图 7为三种混合 配方制备的导 电混凝土与单掺 5 钢纤维和 2 0 4 石墨导电混凝土 的对 比曲线。由图 7可见 ， 混合掺 加 2 钢 纤 维 、 1 6 7 石 墨 的导 电混 凝土 试 件升 温效 果 最 佳 ， 2 h升 温 达 到 1 7 8 8 。从 抗 压 强 度 方 面来 看 ， 混合配方制备 的混凝土仅 比大掺量钢纤维制备 混 凝 土强 度 略低 ， 也 可 达到 强 度设 计 值 。 且 2 h发 热 性能明显优于其他配方 同时施工过程中钢纤维分 散 良好 ， 混凝 土流 动性也 能 满足施 工 要求 。 3 结论 ( 1 ) 钢纤 维 和 石 墨 的掺 量对 导 电混凝 土 发 热性 能和抗压强度影响均非常大 掺加 5 钢纤维制备 的 导 电混 凝 土 是单 掺 钢 纤 维 制备 混 凝 土 中发 热 性 能 最好 的配方 ， 2 h升 温 1 2 9 7 ， 且提 高 混凝 土 强度 3 9 3 7 ， 但大掺量钢纤维制备混凝土的造价较高且 施工 困难 。 表 3混 掺 导 电材 料混 凝 土 的升 温 性 能 及 强 度 赠 图 7 配合 比优选探索试件升温试验图 ( 2 ) 掺 2 0 4 石墨制备 的混凝土是单掺石墨制 备混凝土中发热性能最好的配方 ， 2 h升温 1 7 8 3 c 【 = ， 但大掺量石墨会导致混凝土强度大幅降低 。 ( 3 ) 混掺钢纤维和石墨可 以综合两种材料 的优 势 ，其 中掺 2 钢纤 维 、 1 6 7 石 墨制 备 的导 电混 凝 土 2 h升温 l 7 8 8 o 【 = ，比单 掺钢纤 维 和石 墨配 方制 备 的混凝土发热性能都好 ， 且强度满足设计要求。 参考 文献 ： 【 1 高中民，刘洋导电混凝土的研究与应用 【 J 】 工业技术 ， 2 0 1 1 ， 8 0 ( 1 5 ) ： 8 9 - 9 0 2 】 S e r g u e y V Z e ms k o v ， H e n k M J o n k e r s ， F r e d J V e r mo l e n T w o a n a l y t i c a l mo d e l s f o r t h e p r o b a b i l i t y c h a r a c t e ri s t i c s o f a c r a c k h i t t i n g e n c a ps u l a t e d pa r t i c l e s： App l i c a t i o n t o s e l f he a l i n g ma t e r i a l s J C o m p u t a t i o n al m a t e ri a l s s c i e n c e ， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 3 3 2 3 - 3 3 3 3 3 】 T i n g Y a n g； Z h a o h u i J o e y Y a n g ， M A S C E ， Mi t h u m S i n g l a E x p e r i me n t a l s t u d y o n c a r b o n f i b e r t a p e b a s e d d e i c i n g t e c h n o l o g y J I C o l d r e g i o n s e n g i n e e ri n g ， 2 0 1 2 ， 2 6 ： 5 5 7 0 4 M i n g y u C h e n ， S h a o p e n g Wu ， H o n g Wa n g ，J i z h e Z h a n g S t u d y o f i c e a n d s n o w me l t i n g p r o c e s s o n c o n d u c t i v e a s p h alt s o l a r c o l l e c t o r J S o l a r e n e r g y ma t e ri als & s o l a r c e l l s ， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 1 1 0 5 A P e r e z ， M A C l i m e n t ， P G a r c e s E l e c t r o c h e mi c al e x t r a c t i o n o f c hl o ride s f r o m r e i n f o r c e d c o n c r e t e u s i ng a c on d uc t i v e c e men t p a s t e a s t h e a n o d e J C o r r o s i o n s c i e n c e ， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 1 5 7 6 1 5 8 1 6 6 C h ri s t o p h e r Y T u a n， M A S C E R o c a S p u r B ri d g e ： T h e I mp l e me n t a t i o n o f a n I n n o v a t i v e D e i c i n g T e c h n o l o g y J J C O L D R E G E N G R G ， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 1 - 1 5 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 0 4 2 8 作者简介 ： 钱兴 ( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 在读硕士研究生 。 通讯作者 ： 赵若红 ( 1 9 8 0 一 ) ， 女 ， 博士。 通讯地址 ： 广州市番 禺区大学城广州大学 A 1 4 1信箱 联 系 电话 ： 1 8 6 2 0 0 9 8 5 2 4 E- ma i l ： 8 4 4 9 4 4 2 4q q c o rn 一 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m