钢纤维石墨导电混凝土比热的试验研究.pdf

2 0 1 4年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CO NCRE T E AND CE MEN T P RODUC T S 2 01 4 No 2 F e b r u a r y 钢纤维石墨导电混凝土比热的试验研究 赵若红， 甘 可， 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 ： 选择 目前 常用的导 电材料 钢纤维与石墨制作 了 2 3组导 电混凝土 ， 研 究 了单独掺加钢 纤维 、 石墨 以及混 合掺加钢纤维石墨导电混凝土的 比热 ， 给 出导电混凝土比热的取 值范围。结果表明 ， 加权 平均 法的计 算结果与试验 结果存在一定的差异 ， 在试验 结果与 加权 平均法的基础上 ， 给 出了导 电混凝 土比热计算的修 正公 式。 关键词 ： 导 电混凝土 ； 比热： 钢纤维 ； 石墨 Ab s t r a c t ：C o n d u c t i v e c o n c r e t e i s ma n u f a c t u r e d u s i n g s t e e l fi b e r s a n d g r a p h i t e s a s a d d i t i v e s T h e s p e c i fi c h e a t a s a v e r y i mp o r t a n t p r o p e rt y o f t h e c o n d u c t i v e c o n c r e t e i s s t u d i e d T h e s p e c i fi c h e a t s o f 2 3 s e t s 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 d i ff e r e n t c o mp o n e n t o f mi x t u r e a r e t e s t e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e a r e s o me d i ff e r e n c e s b e t we e n t h e r e s u l t o f e x p e r i me n t a n d t h a t f r o m t h e we i g h t e d me a n me t h o d B a s e d o n t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t ， t h e c o r r e c t i o n f o r mu l a o f t h e we i【 g h t e d me an me t h o d f o r e v a l u a t i o n t h e s p e c i fi c h e a t o f c o n d u c t i v e c o n c r e t e i s p u t f o r wa r d Ke y wo r d ：C o n d u c t i v e c o n c r e t e ； S p e c i fi c h e a t c a p a c i t y ； S t e e l fi b e r ； Gr a p h i t e 中图分 类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 2 4 0 一 O 4 0前言 自 1 9 9 9年 C h r i s t o p h e r Y T u a n在美 国内布拉 斯加州 R o c a S p u r 桥上试铺导电混凝土 。成功实现 将导电混凝土用于桥面板的融雪除冰以来f1 1， 导电混 凝土用于路面融雪除冰与室 内采暖 已成为 国内外 学者的研究热点 2 - 5 。 导电混凝土融雪除冰的过程 ， 实际上是将 电能 转化为热能的过程 ， 比热 是反映物质在没有相变的 情况下吸热或放热的能力 。因此 ， 导电混凝土的 比 热成为重要的基础热物性参数 。在开展现场试验的 同时 。 也有不少学者利用有限元分析软件进行导电 混凝土融雪除冰以及室内采暖温度场的模拟6 - 7 ， 在 这些模拟过程中比热是必要参数 ， 然而 目前 尚未见 到对导电混凝土比热进行研究的相关文献 ， 各文献 中均以混凝土的比热来代替导电混凝土的 比热 ， 而 这两者的差别是显而易见的。因此 。 有必要针对导 电混凝土的比热展开研究。 本文拟采用混凝土 比热 的测定 方法来测定导 电混凝土的比热。相关规范中推荐加权平均法8 1 来 推定 昆 凝土的 比热 ， 但这种方法不能反映混凝土材 料在凝结硬化过程中所发生化学反应的影响，因此 基 金项 目： 国家 自然科学基 金项 目( 5 1 3 0 8 1 3 8 ) ； 教育部 高等 学校博士点学科 专项基金项 目( 2 0 1 2 4 4 1 0 1 2 0 0 0 4 ) ； 广东 高校 优 秀青 年创新 人才培养 计划项 目( L Y M1 1 0 9 9 ) ； 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 ) 。 4 0 是不精确的 。本文选用混合法测定不 同掺量钢纤 维和石墨导电混凝土的比热，旨在给出常用配方导 电混凝土比热参考数据。并将结果与规范推荐的加 权平均法进行对 比， 给出修正公式 。 1 试件制备 1 1 试 验材料 水泥选用 P C 3 2 5级水泥 ；骨料为 中砂 和碎 石 ； 石墨为高纯石墨粉 ， 性能指标见表 1 ； 钢纤维 为 C s lM一 0 8 3 2号钢纤维 ，性能指标见表 2 ；减水剂为 T 1 2 0减水剂。 表 1 石墨性能参数 1 2 试验配合 比设计 导电混凝土为 C 4 0混凝土配合 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 。在该配 合 比基础上 ， 掺人一定质量 比例的钢纤维和石墨作 为导电材料 ， 具体配合 比与试件编号见表 3 、 表 4和 表 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵若红 ， 甘可 ， 傅继阳 钢纤维石墨导 电混凝土比热 的试验研究 1 3试件制备 先将水泥 和砂在 H J W一 6 0型单卧轴强制 式搅 拌机中干拌 1 mi n后加入减水剂 、水和石子 ，搅拌 2 m i n ， 再加入钢纤维和石墨搅拌 2 mi n 。将搅拌均匀 的混合料制成 1 5 0 mm x 1 5 0 m mx 1 5 0 m m的标准试件 ， 振捣 l mi n 。 2 4 h后脱模 ， 在 HB Y 一 4 0 B养护箱 中标准 养护 2 8 d 。从标准试样 中取出大小约 3 5 m mx 2 0 mm x l O mm的小试块 ， 重量约为 2 0 g待测 。 2混 合法 测定 导 电 混凝 土 比热试 验 2 1 试验仪器 凯 迪科 教仪 器公 司 2 2 2 0 1型量 热器( 图 1 ) 。 T P 3 0 0 1温度 计 ， 镊 子 ， 秒 表 ， 大生 D S 一 4 0 0电加热 器 ， P L 3 0 3电子天平 ， 量筒 ， 烧杯等。 内简 温度计 搅拌器 外筒 材料 图 1量 热 器 不 意 图 2 2试验 过程 ( 1 ) 将待测的导 电混凝土块放人干燥箱 中烘干 2 4 h后 取 出 。 ( 2 ) 调整好 电子天平 ， 先称 出待测导 电混凝 土 粒 的质量 M( 2 0 g左右 ) ； 然后称 出量热器 的内筒 和 搅拌器质量 i n 。 ( 3 ) 在量热 器 内筒 中倒入 常温态的水 ( 水面约 为 内筒壁的 2 3高度 ) ， 并 称出它们的总质量 ( 含搅 拌器) m， ， 量热器 中水的质量 m = m， + m 。 用温度计记 录水温 T 1 。 ( 4 ) 用排水法测量温度计浸没在量热器 内筒水 中的体积 V ， 已知温度计 的密度为J D ， 因此 ， 温度计 浸没在量热器内筒水 中的质量为 m 4 = P 。 ( 5 ) 将导电混凝土块放入水温为 T 的电加热器 中加热一定时间。当混凝土整体温度达到 T 后 ， 迅 速取出混凝土块 ， 放人量热器中 ， 盖好量热器盖子 插入温度计 ， 同时均匀地上下移动搅拌器。每隔 1 0 s 读取一次量热器 中水的温度 ，直至温度达到恒定 ， 记 录此 时温度 。 ( 6 ) 记录完温度数据后 ， 称 出此时量热器 内筒 的重量 ( 含导 电混凝 土) i n 。因此 ， 在试验过程中额 外进入量热器 的水 的质量为 IT l 6 m 一 m 一 M。 2 _ 3比热计算方法 ： ( 1 ) 实验过程 中导电混凝 土块从 r r 2 度 ( 沸水温 度) 降低 到温度 ， 该过程 中导 电混凝 土块释放 的 热量 Q 为 ： Q c =MC c ( T 2 一 T 3 ) ( 1 ) 式中， C 为待求的导电混凝土比热 。 ( 2 ) 试验过程中额外进入量热器 的水释放 的热 量为 ： Q w=m6 C ( T 2 一 T 3 ) ( 2 ) 式 中， C 为水的比热。 ( 3 ) 量热器 内筒 、 搅拌器 、 温度计以及量热器 中 原有水的温度从 T 上升到了 T 3 ， 吸收的热量为 ： Q ( I l l 1 C L + m2 C w + r m C T ) ( T 3 一 T 1 ) ( 3 ) 式 中 ， C 为量热器 内筒与搅拌器 的比热 ， C 为 温度计的比热 ， 其数值均 由厂家提供。 ( 4 ) 由热平衡原理知实验过程 中高温物体放 出 的热量与低温物体吸收的热量相等， 即： Q c + Q W = Q ( 4 ) 将 ( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) 式代人 ( 4 ) ， 并计算可得导 电混 凝土的比热为： r一 ( m 1 C L + m 2 C w + m 4 C T ) ( T 3 一 T 1 ) 一 11 1 6 C w ( T 2 一 T 3 ) M( T ， 一 T ) ( 5 ) 一 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 4期 3试验 结 果及分 析 3 1 不 同配 比导 电混 凝 土 比热 试验 结果 根据式 ( 5 ) 计算不 同配 比导 电混凝土比热 的试 验结果如表 6 、 表 7和表 8所示 。 表 6 单掺钢纤维 导电混凝 土的比热 表 7单掺石墨导电混凝土的 比热 表 8 2 钢纤维混合掺加石墨 导电混凝 土的比热 试验测得素混凝土的比热为 0 8 8 6 。钢纤维的 比热为 0 3 5 9 ，石墨 的比热为 0 7 1 。由表 6 一 表 8可 知 ， 与素混凝 土相 比， 导 电混凝 土的比热 随着 钢纤 维与石墨质量分数 的增加而减少。由于钢纤维 的比 热远 小于素混凝土的 比热 ， 增大钢纤维掺量 ， 会使 导电混凝土的比热迅速下降。而石墨的比热与素混 凝土较为接近 ， 同时 ， 由于石 墨的密度较小且掺量 也较少 ， 因此 ， 增加石墨的掺量 ， 导 电混凝土 的比热 虽有所下降， 但改变很小。 图 2 图 4为不 同配方 导电混凝 土比热随导 电 材料掺量的变化 图。由图可知 ， 导 电混凝土 的比热 一 42一 与外加导 电材料 的种类及掺量有很大关系 基本上 呈线性改变的趋势 ， 这也与规范推荐的加权平均法 给出的趋势一致 。 一 0 霰 霉 一 0 羞 钢纤维质量分数 图 2 单掺钢纤维试件试验结果 001 3 0 O 1 4 O0l 5 O O1 6 OO1 7 0 O1 8 00l 9 0 0 2 0 002 1 石墨质量分数 图 3 单掺石墨试件试验结果 0 0 1 3 0 01 4 0 0 1 5 001 6 0 0 1 7 001 8 0 0 1 9 00 2 0 0 0 21 石 墨质量分数 图 4 2 钢 纤 维 混 合 掺 加 石 墨 试 件 试 验 结 果 3 2 导 电混凝土 比热修正公式 对表 6 表 8中的试验数据与规范推荐的加权 平均法得出的结果 比较如图 2 一 图 4所示 。 从图 2 图 4可以看 出 规范推荐的加权平均法 计算 的导 电混凝 土 的比热与试验结果有一定 的偏 差 且加权平均法的计算结果 比试验结果均偏大 。 这是 由于混凝土在搅拌过程 中产生 的化学 反应 以 及凝固后材料结构组成的改变所造成 的。因此 。 有 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵若红 ， 甘可 ， 傅继阳 钢纤维石墨导电混凝土 比热的试验研究 必要在加权平均法 的基础上 ， 根据试验结果对其进 行修正。拟合 的基本公式见式( 6 ) 。 y _ A C c 十 B C s 素 -C C g x g ( 6 ) 式中 ， C c为素混凝土的 比热 ： C s 为钢纤维的 比 热 ； C g为石 墨 的 比热 ； x 为 钢 纤 维 的质 量 比 ； x 为石 墨的质量比； A、 B、 C为待拟合 的常系数。 进行最小二乘法拟合 ， 不同配合 比导 电混凝 土 拟合常数如表 9所示 。 表 9 导 电混凝土修正公式拟合结果 4结论 ( 1 ) 导 电混 凝 土 的 比热 与 导 电材 料 的 种 类 、 掺 量 有着 很 大 的关 系 。掺 加钢 纤 维或 石墨 的导 电混凝 = 的 比热均随着钢纤维和石墨掺量 的增加而减 少。 导 电材料 的 比热越 小 ，导 电混凝土 的比热 下降越 快 。 ( 2 ) 将试验结果 与规范推荐 的加权平均法进行 比较表 明， 加权平均法的计算结果均比试验结果偏 大。这是 由于混凝土在搅拌过程 中产生的化学反应 以及 凝 固后 材料 结 构组 成 的改 变所 造成 的。 ( 3 ) 在加权平均法 的基 础上 ， 根据试验结 果对 其进行 了修正 ， 给出 了修正后的加权平均法计算公 式 参考文献 ： 【 1 】 Y e h i a ， S h e r i C C h r i s t 。 p h e r Y T u a n C o n d u c t i v e C o n c r e t e O v e r l a y f o r B r i d g e D e c k D e i c i n g J A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 1 9 9 9 ， 9 6 ( 3 ) ： 3 8 2 3 9 0 2 T u m i d a j s k i ， P J ， P X i e ， M A mo t t ， J J B e a u d o i n O v e r l a y C u r r e n t i n a C o n d u c t i v e C o n c r e t e S n o w Me l t i n g S y s t e m J C e me n t a n d c o n c r e t e r e s e a r c h，2 0 0 3 ， 3 3 ( 1 0 ) ： 1 8 O 7 1 8 0 9 【 3 H o u Z u o f u ， L i Z h u o q i u ， Wa n g J i a n j u n E l e c t r i c a l l y C o n d u c r i v e C o n c r e t e f o r H e a t i n g U s i n g S t e e l B a r s a s E l e c t r o d e s 【 J J J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Ma t e r i a l s S c i e n c e E d i t i o n ， 2 0 1 0 ， 2 5 ( 3 ) ： 5 2 3 5 2 6 4 唐祖 全， 李卓球， 侯 作富， 等 导 电混 凝 土路面 材料 的性 能分析及导 电组 分选 择 J 1 混凝土， 2 0 0 2 ( 4 ) ： 2 8 3 1 5 】 洪雷 石 墨水泥砂 浆注浆 钢纤维 混凝土 长龄期 电热性能 研究【 J 混凝土， 2 0 1 2 ( 1 0 ) ： 1 1 1 - 1 1 3 6 1 X U S h i L a n g ， Y U We n T i n g ， S O N G S h i D e N u me r i c a l s i m u l a t i o n a n d e x p e ri me n t a l s t u d y o n e l e c t r o t h e r ma l p r o p e r t i e s o f c a r b o n g l a s s fi b e r h y b r i d t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e J T e c h n o l o g i c a l S c i e n c e s ， 2 0 1 1 ( 5 4 ) ： 2 4 2 1 2 4 2 8 7 侯 作富， 李卓球， 唐祖全导 电混凝 土除冰化雪 系统输入 功 率的有限元计算f J 】 华 中科技 大学学报： 城市科 学版， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 1 ) ： 6 8 - 7 1 f 8 1 中华人 民共 和 国水利 部 S L T 1 9 1 9 6水 工混凝土 结构设 计规范 S 】 北京： 中国水利水 电出版社， 1 9 9 6 9 1 陈德 鹏， 钱春香， 王辉， 等 水泥基材料 比热容 测定及计算 方法 的研究【 J 】 建筑材料学报， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 2 ) ： 1 2 7 1 3 1 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 1 2 2 8 作者简介 ： 赵若红 ( 1 9 8 0 一 ) ， 女 ， 博士 。 通讯地址 ： 广州市大学城外环 西路 2 3 0号 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 m j ； j j j 夸 k 妇 坐 j k夸 船夸 夸 j j 夸 妇j 夸 _ j I j 宣 j j j ； 毒 建筑材料标准汇编 水泥制品 2 0 1 3 ( 上、 下册) 正 式 发 行 全国水泥制品标准化技术委 员会等编著的 建筑材料标准汇编水泥制品 2 0 1 3 ) ( 上、 下册) 已于 近期 正式 发行 ， 本 书共 收集 2 0 1 2年 1 2月 3 1日前发 布的 水泥制 品产品标 准 、 试验 方法标 准、 生产模 具 、 设备标 准及辅 配件标 准 1 5 6项 。其 中 国家标 准 4 2项、 行 业标 准 1 1 4项 ； 2 0 0 4年 以后制 、 修 订 的标 准 1 0 9项 。 本书的读者对象为水泥制品的科研、 设计、 生产、 设备制造单位、 质检机构、 建材、 建设管理部 门、 工程监理与施工材料供销单位的技术人员、 管理人员等。 本标准汇编定价( 上、 下册) ： 5 5 0元。 有需要者请与本刊编辑部联系订购。联系电话 ： 0 5 1 2 - 6 8 2 8 5 7 1 6 汇款地址： 苏州市三香路 7 1 8号； 邮编： 2 1 5 0 0 4 ； 收款单位： 混凝土与水泥制品 编辑部 习 ， 习 芥带芥芥： 芥； ， 习l s ， ! I j F ， l | 习l s带习 芥习 s ， 带带 带芥习l s 辛 芥j ， 蒂齐 ， 习 带 带却 s习 恭 4 3 弗睾 弗 睾 耕 研 耕耕 h 曙 带鬻 h _一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m