钢渣混凝土窖井盖压敏性研究.pdf

第 1 5卷第 4 期 2 0 1 2年 8月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI I DI NG MATERI ALS V0 1 1 5， No 4 A u g ， 2 0 12 文 章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 5 5 7 0 5 钢渣混凝 土窖井盖压敏 性研究 曹露春 ， 张志军 ( 徐州 工程 学 院 土 木 工程学 院 ， 江 苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 ) 摘 要 ：以低 碱 度风 淬钢 渣制 成 钢渣 混凝 土试 件 ， 再采 用 两 电极 法测得 钢渣 混凝 土 的渗 滤 阀值 根 据 渗 滤 阀值制 作 了带 不锈 钢 片 电极 的 钢 渣 混 凝 土 窨 井盖 ， 然后 模 拟 窨 井 盖在 实际 工 况 下 的 受 力 情 况 ， 测 试 了窨 井盖加 载 至破坏 时以及在 循 环荷 载和 冲击 荷 载作 用 下 电阻率 的 变化情 况 结 果 表 明 ： 在 不 同的 受力 状 况下 窨 井 盖 的 电 阻率 变化 是 不 同 的 ， 正 常 荷 载 作 用 下 窨 井 盖 的 电 阻率 趋 于一 常 数 ， 破坏荷载作用下窨井盖电阻率急剧上升 通过测量窨井盖 电阻率的 变化情 况， 可以感知窨井盖 的破 坏状 况 ， 以便 对其及 时更换 关键 词 ：压敏 性 ；钢 渣 ；窨 井盖 ；电 阻率 中图分 类号 ： TU5 2 1 4 文献 标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 2 0 4 0 2 4 Re s e a r c h o n Pr e s s u r e S e ns i t i v i t y o f S t e e l S l a g Co n c r e t e M a n ho l e Co v e r CAO Lu c h u n， ZHANG Zh i j u n ( Ci v i l Eng i ne e r i ng Col l e ge，Xu z ho u I ns t i t u t e of Te c h no l o gy，Xu z ho u 2 21 0 08，Ch i na ) Ab s t r a c t ：I O W ba s i c i t y a i r qu e n c h s l a g we r e c ol l e c t e d t o p r o du c e s t e e l s l a g c on c r e t e，t he pe r c o l a t i o n t h r e s h ol d of s t e e l s l a g c o nc r e t e we r e me a s u r e d t hr ou gh t wo e l e c t r o de s wa y St e e l s l a g c o nc r e t e ma nh ol e c o ve r whi c h ha s t wo s t a i nl e s s s t e e l e l e c t r od e s w e r e pr o duc e d b a s e d o n t h e pe r c ol a t i o n t hr e s ho l d。t he a c t u a l f o r c e t h e ma n h o l e c o v e r s u b j e c t e d t o wa s s i mu l a t e d，t h e r e s i s t i v i t y f r o m i n i t i a l l o a d i n g t o d e s t r o y a n d u n d e r c y c l i c l o a d i n g a nd i mpa c t l oa d i n g we r e me a s ur e d The r e s ul t s s h ow t ha t t he c ha nge o f r e s i s t i v i t y un de r di f f e r e n t f o r c e i S no t t he s a m e U n de r no r m a l l oa di n g c o nd i t i o n i t t e nd s t o s t a bi l i z e t o wa r d a c on s t a nt a nd i t mov e s s ha r pl y hi gh e r und e r f a i l u r e l o a di ngTh e de s t r o y s t a t e o f s t e e l s l a g c o nc r e t e ma n hol e c o v e r c oul d be kn own b y m e a s u r i ng i t s r e s i s t i v i t y Ke y wo r d s ：p r e s s ur e s e ns i t i v i t y；s t e e l s l a g；ma nho l e c o v e r ；r e s i s t i vi t y 窨井 盖 广泛 应用 于城 市 道路 、 天然 气 管道 、 化 工 基 地检 查井 、 电力及 电 信设 施 井 等 俗称 “ 马 路 肚 脐 眼” 的窨井盖虽小 ， 却关 系到市 民出行、 交通安全等 大 问题 窨井 盖 在服役 过 程 中 ， 由于受 到环 境腐 蚀 、 材 料 老 化及 因汽 车轮 胎碾 压 和冲 击而 导致 的疲 劳效 应 等 不 利 因素 的影 响 ， 将 不 可 避 免地 产 生 损 伤 积 累 和 抗 力 衰减 ， 直 至发 生 突 然 断 裂 因此 ， 需采 用 有 效 的 手 段 监测 和 评定 窨井 盖 的安全 状况 目前 ， 应 用 于窨 井 盖破坏监测的传感材料主要有 电阻应变片、 压 电材 料 、 光 纤 以及碳 纤 维 等 但 从 市 政 管 理 的角 度来 看 ， 这 些材 料 均不 同程 度地存 在 某些 缺 陷 ， 例 如 ， 抗 电磁 干扰 能 力 差 、 寿 命 低 、 耐 腐 蚀 性 差 、 造 价 高 、 施 工 不 便 、 影 响结 构力 学性 能 等 钢 渣 是 炼 钢 过 程 中 产 生 的 废 渣 由 于 钢 渣 中 F e O含量 ” 在 2 0 以上 ， 而 F e O 在 常 温 下 的 电阻 率 收稿 日期 ： 2 0 1 卜O 3 3 O ；修订 日期 ： 2 0 1 1 - 1 1 1 4 基金项 目： 江苏省建设厅科技计划项 目( J S 2 0 0 6 Z D1 2 ) 第一作者 ： 曹露春( 1 9 6 7 ) ， 女 ， 江苏宜兴人 ， 徐州工程学院副教授 ， 硕士 主要从事建筑结构和工程管理的研究 E ma il ： c l c x z i t e d u c n 通信作者 ： 张志军( 1 9 6 8 ) ， 男 ， 江苏丰县人 ， 徐州工程学院教授 ， 硕士 主要从事建筑材料的研究 E - ma il ： z z j x z 1 2 6 c o rn 1 )文 中涉及 的含量 、 压碎值等 除特别说 明外均 为质量分数 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 5 8 建筑材料学报 第 1 5卷 为 5 1 0 Q C m， 因 此钢 渣 可 作 为 导 电相 材 料 ， 用 于制备 导 电 自感 应 钢 渣混 凝 土 窨 井盖 通 过 对 钢 渣 混 凝土 窨井 盖 电性 能施 行 实 时 在 线测 量 ， 可 随时 了 解 其 内部 应力 、 应 变 的变 化状 况 以及 疲 劳 、 损 伤程 度 等 ， 从而 对其 进行 实时监 控 和维修 ， 有效 防止 事故 的 发 生 1 钢渣混凝土渗滤 阀值 的研 究 1 1 原 材料 钢渣 ( s S ) 为 徐 州 东 南 钢 铁 有 限公 司低 碱 度 风 淬 钢渣 ， 其外 观 呈 灰 褐 色 ， 细 度模 数 为 2 6 ， 压 碎 指 标值 为 2 4 ， 碱 度 为 2 3 ， 化 学 组 成 见 表 l ； 水 泥 ( C) 为 中联 巨龙 淮 海水 泥有 限公 司 P O 5 2 5普 通 硅 酸盐水 泥 ； 粗集 料采 用粒 径 为 5 2 0 l n m 的碎 石 ， 其 含泥量 1 ； 钢 纤维 为嘉兴 金誉 金 属制 品有 限公 司铣削钢纤维( S F - 0 9 3 0 4 0 ) ， 其长 度为 3 0 mm， 直 径为 0 7 5 m m， 长 径 比 4 O ， 抗 拉 强度 1 0 0 0 MP a ； 硅 粉 为 济 南银 丰硅 制 品有 限 责任 公 司硅 粉 ， 其平 均 粒 径 为 0 1 0 0 1 5 , m， S i O2 含量 9 6 表 1 钢渣 的化学组成 T a b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t io n b y ma s s ) o f s t e e l s l a g 钢渣本身的活性很低 ， 化学稳定性高 随龄期 的 增 长 ， 钢 渣 中引起 体积安 定 性不 良的游 离 C a O含 量 明显减少 ， 钢 渣体 积安定 性 提高 钢 渣还 具有 较好 的 力 学性 能 有 关研 究 2 表 明 ， 钢 渣可 归 为最 坚硬 的 岩石之列 ， 钢 渣 的力 学 强 度 完全 能满 足 道路 条 件 的 要 求 1 2 钢 渣 混凝 土渗滤 阀值 测试 在 制作 导 电性 研究 的试 件 时 ， 考 虑 到窨 井 盖 的 强度 和掺加 钢纤 维 后 钢 渣 混凝 土 的和 易性 ， 钢纤 维 的掺量 ( 以 占混 凝 土 体 积 分 数计 ) 取 2 当钢 纤 维 体 积分 数 大于 2 时 ， 钢 纤 维 在 混 凝 土 中 的分 散 非 常 困难 根 据窨井 盖结 构设 计要求 ， 重 型盖板 钢 纤维 混凝 土应 能承受 7 0 0 k N 的压 力 按 此 要 求 ， 以 二 次 合成法 计算钢纤 维混凝土配合 比， 并用等体积钢 渣 代替 部分 细集 料 掺 人 到 混凝 土 中 ， 形 成 导 电 的钢 渣 混凝 土 采 用两 电极 法 测试 钢 渣 混 凝 土 电 阻率 ， 试 件 的 尺 寸 为 l 6 0 mm4 0 mm4 0 mm 沿 试件 纵 向平行 对 面预先埋入 尺寸 为 3 0 0 mm3 0 0 m m0 3 mm 的不锈 钢 电极 ， 并 保 证 不 锈 钢 电极 不会 暴 露 在 试 件 的外表 面 每组测 试 3个试 件 ， 取 平均 值 有关研 究口 “ 表 明 ， 混凝 土复合 体 系中导 电填料 的掺 量增加 到渗 滤 阀值 时 ， 体系 电阻率 急剧 降 低 ， 此 突变 区域一 般很 窄 ， 在 突变 区域 之后 ， 体系 电 阻率 随 导 电填料 掺量 的 变化 又 回复 平缓 不 同混 凝 土 复合 体 系有不 同 的渗滤 阀值 养护 2 8 d的钢 渣 混凝 土 的 电 阻率 见 表 2 由表 2可知 ， 当钢渣 与水 泥 体积 分 数 比( ： ) 由 0 ： 1 0 增大 至 0 8 ： 1 0时 ， 试 件 电阻 率 从 8 O 3 k Q c m 降 到 2 8 2 k Q c m， 变化 基 本 上在 同一 数 量 级 当 ： 由 0 8 ： 1 0 升 至 1 0 ： 1 0时 ， 试 件 电 阻率 迅 速 降 低 当 ： 大于 1 0 ： 1 0后 ， 试 件 电 阻率 随钢 渣 掺量 的变 化趋 于平 缓 上述 表 明 ， 当 ： = = = 1 0 ： 1 0 时 ， 达到钢 渣混凝 土 的渗 滤 阀值 ， 此 时试 件 电 阻 率为 5 8 k f 2 c m 表 2钢 渣 混 凝 土 的 电 阻率 Ta b l e 2 Re s i s t i v i t y o f s t e e l s l a g c o n c r e t e No ： ( 2 钢渣混凝土窖井盖 电阻率研 究 2 1 钢 渣混凝 土 窨井盖 制作 按 照 s s ： c 一 1 0 ： 1 0配 合 比 ， 先 将 水 泥 、 钢 渣 、 硅 粉 、 砂 和石 料搅 拌 均 匀 ， 再 一边 分 散 加 入钢 纤 维 一边 进行干 拌 ， 然 后加 水进行 湿 拌 ， 湿 拌 时 间不少 于 3 mi n 增 强筋采 用 1 0钢筋 ， 并焊 接 成井字 形 把制 作 好 的井 字形 钢筋 骨 架 置 于钢 模 内 ， 再 将 钢 模 置 于 振 动平 台上 将 按配 比搅拌 好 的混凝 土浆 体注 入 钢模 ， 然后振 动 5 mi n ， 停 3 0 S ， 再 振 动 2 mi n 用 铁 板 抹 平 混凝土浆体表面 ， 静置 5 h后放 入养护池 中养护 ， 2 4 h 后 编号拆 模 ， 再 放 人标准 养护 室 中养护 圆形板 状钢渣 混凝 土窨 井盖 直径 为 7 0 0 mm， 厚 度为 7 0 mm， 支承 宽度 为 5 0 mm 2 2电极 制作 试 验采 用埋 入 式 电极 考虑 到 试 件 的 养 护 条 件 和周期 ， 以及窨井盖的实际使用环境 ， 电极采用不锈 钢薄 片 ( 6 0 0 mm4 0 0 mm0 3 mm) ， 并 焊 接 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 O 建筑材料学报 第 1 5卷 环 次数 的增 加 ， 卸 载后 窨 井 盖 的 电阻 率 逐 步 降低并 趋于稳定 ， 与加 载后 窨井 盖 的 电阻率 相 近 ( 4 ) 在 6 O MP a 条 件下 ， 随着 循 环 次 数 的增 加 ， 卸 载 后 窨 井 盖 电阻率出现了增大的趋势 ， 呈现正压力效应 ， 但经 8 次循环后电阻率基本处于稳定状态 ( 5 ) 在 9 o MP a 条件下， 随着循环次数 的增加 ， 加 、 卸载后窨井盖 电 阻率均 出 现 显 著 增 长 趋 势 ， 呈 现 出 明显 的 正 压 力 效 应 2 4 3 冲击 荷载 下 的电阻率 类似汽车对桥面的作用 ， 车辆对窨井盖产生 的 作 用力 有 2类 ： 纵 向力 和水平 力 纵 向力 包括 汽车 轮 压 和 冲击力 ， 水平 力包 括制 动力 和离心 力等 从窨 井 l 2 3 4 5 6 7 8 Ti me s 盖扁 平 的形状 和周 边 支 撑 的 特 点分 析 ， 汽 车 驶 过 窨 井盖 可能 产生 的破 坏 力 主要 是 纵 向力 纵 向力 中 冲 击力 的大小 是汽 车轮 压 的 3 4 倍 ， 但 此力是 因路 面 不平整、 车轮不圆或发动机抖动等偶然 因素产生的 相对 其他 几种情 况 ， 路 面不 平 整 使 冲击 力 较 频 繁作 用于窨井盖， 然而 目前高等级道路施工 中已将路面 不平整程度降到最低 ， 因此可将冲击力作为偶然荷 载 ， 而将 轮压作 为造成 纵 向破坏 的主 要原 因l 5 由于 汽 车的行 驶速度 一 般 都在 4 0 k m h以上 ， 在 窨 井 盖 上 的停 留时 间很 短 ， 因此 ， 笔者测 试 了窨井 盖在 突 然 加 载( 加 载速度 3 0 k N s ) 、 突然 卸 荷 的情 况 下 ， 电阻 率 随时 间变化 的规 律 ， 结果 分别 见 图 4 ( a ) ， ( b ) 1 2 3 4 5 6 7 8 Ti me s ( a ) S u d d e n l o a d i n g ( b ) S u d d e n l o a d i n g - o ff 图 4 不 同冲击荷载下钢渣混凝土窨井盖电阻率随时间的变化 规律 Fi g 4 Re s i s t i v i t y c h an ge of s t e e l s l a g c on c r e t e ma nho l e c o ve r wi t h t i me un de r di f f e r e nt i mpa c t l oa d i n g 由图 4 ( a ) 可 以看 出 ： ( 1 ) 在 突然 加 载 的情况 下 ， 随着 时间 的延长 ， 窨 井 盖 电阻率 有 所 降 低 ( 2 ) 当 突 然 施 加 2 0 MP a荷 载 时 ， 窨 井 盖 电 阻率 随 时 间延 长 下降不大 ， 而且在较短时间内就停止下降 ， 此后不随 时 间延长 而发 生 变化 这 是 因为 窨 井 盖在 较 短 时 间 内压 缩变 形完 成 ， 导 致 其 电 阻率 在 此 时 间段 内有 所 降低 ， 然后 保 持 不 变 ( 3 ) 当 突 然 施 加 5 0 MP a荷 载 时 ， 窨 井盖 电 阻率降低 的时间有 所延 长 ， 这 是 因为 在 较大 压力 下 ， 窨 井盖 产生 的形变 也会 增加 ， 而 由于 钢 渣混 凝土 材料 为多 晶体 与非 晶态材 料复合 而成 的物 质 ， 其 内部 存在 各种 类 型的缺 陷 ， 应 变 的发展 跟不 上 应力 的变 化 ， 需 要较 长 的时 间充 分 完成 ， 从而 导致 电 阻率 降低 的时 间有 所延 长 由图 4 ( b ) 可 以看 出 ： ( 1 ) 在 荷载 为 2 0 MP a 时 突 然卸 载 ， 此 时窨 井盖 的 电阻率 随时 问变化 不 大 这 是 因为试 件 内部 原 有 的缺 陷 、 孔 隙和 微 裂 缝基 本 被 压 实 ， 试件发生不可逆变形 ， 因此 电阻率保持 不变 ( 2 ) 在 荷载 为 5 0 MP a时突 然 卸 载 ， 此 时 窨 井 盖 电阻 率 随 时 间的 延 长 不 断 增 长 直 至 趋 于 稳 定 这 是 因 为 在 5 0 MP a 时突然 卸 载 ， 窨 井 盖 内部 有 一些 微 裂缝 不 能 瞬时恢 复 ， 而此时 应变并 没有 瞬 时达 到平衡 值 ， 需 通 过一段 时 间来 完 成 ， 故 应 变 变化 滞 后 于 外 加 应 力 变 化 ， 只有 随 着 时 间 的延 长 ， 窨 井 盖 弹性 才 会 逐 渐 恢 复 ， 但不 能恢 复到 初始状 态 ， 最终 导致 电阻 率 随时 间 延长 而增 大 ， 直 至趋 于稳定 钢渣 混凝土 窨 井 盖在 外 加 荷 载 作用 下 ， 其 内部 将发生 2 个相互作用过程 ： 一是在外加荷载作用下 ， 试件 内部 变得愈 加 紧 密 ， 使 得 彼 此 相邻 的钢 渣 颗 粒 增加 了相互 接触 的机会 ， 形 成 了新 的导 电网络 ， 从 而 使得试 件 电导率增 大 ， 即电阻率 降低 ； 二 是外 加荷 载 引起 试件 内部发 生破 坏 ， 产 生裂 缝 ， 增 加 了钢 渣 的 间 隔势 垒 ， 使 得 已存 在 的导 电 网络产生 破坏 ， 从 而 引起 试 件 电阻率增 大 j 钢渣 混凝 土窨井 盖试件 内部导 电 网络在 应 力作 用下 的破 坏和 重组 同时存 在 ， 是一个 动 态平衡 过 程 在较 低压 力水平 下 ， 由于水 泥 基体被 压 实 ， 使 得 钢渣 颗 粒在轴 向方 向相 互靠 近 、 接 触 ， 产 生 了附加 导 电通 路 ， 同时钢渣 受力具 有更 好 的方 向性 ， 形 成 了新 的 导 电 网络 ； 进一 步增加 荷 载时 ， 混凝 土 内部不 断形 成 新 的微裂缝 ， 阻断 了形 成 的临时 性 导电通 路 ， 这 时 导 电 8 7 6 5 4 3 一 目u l I l s 6 5 4 3 ( _吕0 茸 I s H 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 曹露 春 ， 等 ： 钢渣混凝土窨井盖压敏性研究 网络 的完善 和损 伤 过 程 处 于 动 态平 衡 状 态 ； 当荷 载 达到 极 限荷 载时 ， 混凝 土 内部形 成 了大量 微 裂缝 ， 当 微裂 缝 积 累到一 定 程 度 后 ， 试 件 的 电阻 随 荷 载 的增 加而 增 大 ， 此 时试 件 已经产 生 了较 为严重 的损 伤 因 此 ， 通过 测 试 试 件 电 阻 率 的变 化 ， 能 够 进 行 损 伤 自 诊 断 3 结论 ( 1 ) 钢渣 混凝 土具 有较 好 的导 电性 ， 在 ： 一 1 0 ： 1 0时 ， 达到钢渣混凝土的渗滤 阀值 ， 此时电导 率 为 5 3 k a c m ( 2 ) 钢渣 混凝 土窨 井 盖 在受 到外 力 作 用 时其 电 阻值 会 发生 变化 在极 限荷 载 内 ， 窨 井盖 电阻率 趋 于 一 常数 ； 若窨 井 盖断裂 破 坏 ， 则 电 阻率迅 速增 加 ( 3 ) 通过 测试 钢渣 混凝 土窨 井 盖 电阻率 的 变化 ， 能 够 随时掌握 其 破损情 况 并及 时更 换 参 考 文献 ： r i 李长太 钢渣混凝 土的导电性与压敏性研 究r D 重 庆： 重 庆大 一 一 一 瞅 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m