风淬钢渣用于制备导电混凝土的试验研究

1、第 8卷第 3期 2005年 6月建 筑 材 料 学 报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; 修订日期 :2005-01-17基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50404005作者简介 :钱觉时 (1961- , 男 , 安徽人 , 重庆大学教授 , 博士生导师 , 博士 .文章编号 :1007-9629(2005 03-0233-06风淬钢渣用于制备导电混凝土的试验研究钱觉时 , 李长太 , 唐祖全 , 王 智(重庆大学 材料科学与工程学院 , 重庆 4000

2、45摘要 :考虑到风淬钢渣含有较多的导电组分以及具有较好的颗粒特征 , 将其用于配制导 电混凝土 , 并探讨其相关的电学性能和力学性能 . 研究结果表明 , 用风淬钢渣配制的混凝 土具有较低的体积电阻率和优异的力学强度 , 且其体积电阻率随龄期的增长保持了比较 好的稳定性 .关键词 :导电混凝土 ; 风淬钢渣 ; 体积电阻率 ; 强度 中图分类号 :T U 528 文献标识码 :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导电混凝土可因导电相集料和胶凝材料的不同而具有不同的导电能力 . 导电混凝土目前可应 用的领域有 :建筑采暖地面、 环境加热、 高速公路的自动监控和运动中的质量称量 , 以及大型结构微 裂纹监测等 16.目前国内外用于配制导电混凝土的材料有石墨、 碳纤维和钢屑等 , 但这些材料价格都比较昂 贵 . 如 Xie 等7在混凝土中掺入体积分数为 15%20%的钢屑和体积分数为 1. 5%2. 0%钢纤维 , 使混

6、凝土的造价增加了 4倍 , 达到 250美元 /m 3. 因此 , 采用价格低廉的导电材料是导电混凝土 能否得到推广应用的前提 .钢渣是炼钢过程中产生的废渣 , 其主要化学组分为 CaO, SiO 2, FeO. 钢渣排放前一般要进行预 处理 . 目前国内外较成熟的钢渣预处理工艺有水淬法、 热泼法、 盘泼淬冷法、 风淬法等 . 风淬法通常 是将钢渣进行风淬、 急冷处理 . 由风淬法处理而得的外观呈黑色状的钢渣称为风淬钢渣 .由于钢渣含有较多的铁相及具有较好的颗粒特征 , 故笔者用其配制了导电混凝土 , 然后探讨了 所配混凝土的导电性能及力学性能 .1 试验材料与方法试验用水泥为 42. 5R

7、普通硅酸盐水泥 . 石墨为市售石墨粉 . 风淬钢渣的主要物理性质见表 1, 化学组成见表 2.表 1 风淬钢渣的物理性质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 风淬钢渣的化学组成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在风淬钢渣颗粒中 , 存在 2种不同颗粒特征的钢渣 :一种是完全球状的钢渣 , 其量约占总质量 的 30%左右 ; 另一种为非球状的钢渣 , 其量约占总质量的 70%左右 . 风淬钢渣颗粒粒径主要集中在 0. 3155. 0mm 内 , 占总质量的 80%以上 . 本文如无特殊说明 , 风淬钢渣均为过 5. 0mm 筛的原状 钢渣 .电极的制作对混凝土导电性的测试非常重要 . 采用将石墨布粘结在试件外表面的方法可取得 较好的效果 , 但电极容易脱落损坏 , 因此选择将电极埋

9、入混凝土中的方法 . 此外 , 电极不能生锈 , 因 为生锈后电阻会增大 , 故本试验研究选用不锈钢薄板作为电极 (尺寸为 30mm 30mm . 电极上要 钻孔 , 并使孔的直径大于风淬钢渣的最大粒径 , 以确保电极两边的混凝土能相互连通 .将一定比例的水泥、 风淬钢渣混合 , 干拌 1m in, 然后加水搅拌均匀 . 采用尺寸为 40mm 40 mm 160mm 的胶砂试模 . 将 2块不锈钢电极片垂直于试件纵向布置 , 间距为 120mm. 试件成型 后过 1d 脱模 , 然后将试件放入水中养护至待测龄期 , 取出 , 晾干 .抗压强度试验每组试件数为 3, 试验参照 GB/T177 1

10、985 水泥胶砂强度检验方法 进行 . 体积 电阻率测试每组试件数为 69, 试验参照 GB/T1410 1989 固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻 率试验方法 进行 . 抗压强度及体积电阻率测试结果均为所有试件的平均值 . 体积电阻率计算公式 为 : =R A/L , 其中 : 为体积电阻率 , k cm ; A 为横截面积 , cm 2; L 为长度 , cm; R 为电阻 , k .2 试验结果与分析2. 1 不同导电材料配制的导电混凝土性能比较表 3是采用不同导电材料配制的导电混凝土的导电性能测试结果 (表 3中也附带列出了导电 混凝土 28d 的抗压强度 . 表 3显示 :以适量风淬

11、钢渣作为导电材料而配制的导电混凝土的体积电 阻率可以达到比较令人满意的结果 .2. 2 风淬钢渣掺量对混凝土体积电阻率的影响图 1是不同风淬钢渣掺量下混凝土体积电阻率的测试结果 , 其中风淬钢渣与水泥的质量比 (集 灰比 从 0增加至 5. 0. 从图 1可以看出 :(1 当集灰比从 0增加至 0. 5, 即风淬钢渣掺量从 0开始小 幅度增加时 , 混凝土体积电阻率从 140k cm 降低到 110k cm, 体积电阻率变化不大 ; (2 当 集灰比从 0. 5变化至 1. 0时 , 混凝土体积电阻率由 110k cm 迅速降低至 20k cm ; (3 当集 灰比大于 1. 0后 , 混凝土

12、体积电阻率随风淬钢渣掺量的增加趋于平缓 .表 3 不同导电混凝土的体积电阻率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实际上 , 混凝土体积电阻率随风淬钢渣掺量的变化反映了均匀分散在水泥基体中风淬钢渣彼 此间的接触情况 . 当风淬钢渣掺量较低时 , 其均匀分散于水泥基体中 , 由于此时风淬钢渣颗粒很少 , 彼此之间接触可能性较小 , 故此时风淬钢渣的掺入并不能明显降低混凝土的体积电阻率 ; 随着风淬 钢渣掺量的增加 , 风淬钢渣虽然仍被水泥基体隔开

14、 , 但彼此间已相距较近 , 电子可以通过隧道效应 进行传导 , 此时混凝土体积电阻率开始明显降低 ; 随着风淬钢渣掺量的不断增大 , 相邻的风淬钢渣 开始相互接触 , 形成导电网络 , 这时混凝土体积电阻率将显著降低 ; 而后虽风淬钢渣掺量继续增加 , 但对已形成的导电网络未产生明显的影响 , 故混凝土体积电阻率尽管仍继续下降 , 但下降速度变 缓 .2. 3 混凝土体积电阻率随龄期的变化图 2是未掺与掺风淬钢渣混凝土 (m (水泥 m (风淬钢渣 =1 2 的体积电阻率随龄期的变化 情况 . 图 2表明 , 未掺风淬钢渣混凝土体积电阻率随龄期的增长迅速增大 , 而掺风淬钢渣混凝土图 1 风

15、淬钢渣掺量对混凝土体积电阻率的 影响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图 2 风淬钢渣混凝土体积电阻率随龄期 的变化Fig. 2 Chang e of the bulk elect ric r esist ivity of SSQ W co ncrete w ith ag es的体积电阻率随龄期的增长变化不大 . 这意味着掺风淬钢渣混凝土的体积电阻率随龄期变化的稳 定性比未掺风淬钢渣混凝土要好 . 未掺风淬钢渣混凝土主要是靠孔隙水中的离子导电

16、, 而随龄期的 增加 , 未掺风淬钢渣混凝土孔隙则被水化产物逐渐填充 , 孔隙不断减少 , 自由水量不断降低 , 因此其 体积电阻率不断增加 ; 而在掺风淬钢渣混凝土中 , 虽然也存在离子导电 , 但其主要依靠导电组分进 行导电 , 因此混凝土体积电阻率随龄期的变化不大 . 另外 , 掺风淬钢渣混凝土 3d 体积电阻率低于 1 d 体积电阻率 . 产生这一现象含要是因为在 1d 体积电阻率测试后 , 试件放入水中养护 , 试件含水 量有一定程度的增加 , 因而导致其体积电阻率降低的缘故 . 如果考虑到这一点 , 则掺风淬钢渣混凝 土体积电阻率随龄期的变化会更小 .2. 4 风淬钢渣形态对混凝土

17、体积电阻率的影响表 4给出的是经不同时间粉磨而呈不同形态的风淬钢渣对混凝土体积电阻率影响的试验结果 (表 4中也附带列出了混凝土 28d 的抗压强度 . 风淬钢渣粉磨 1h 后已呈粉末状态 . 从表 4可以看 出 :混凝土体积电阻率随风淬钢渣粉磨时间的延长而降低 ; 由粉磨 4h 风淬钢渣而配制的混凝土其 28d 体积电阻率仅为 3. 5k cm, 明显低于未进行粉磨的风淬钢渣混凝土 .2. 5 风淬钢渣导电混凝土的强度表 5给出的是风淬钢渣导电混凝土的强度测试结果 . 从表 5可以看出 :当风淬钢渣掺量在适当 范围内时 , 其对导电混凝土强度没有不利影响 , 只有当风淬钢渣与水泥质量比超过

18、4 1后 , 导电混 凝土强度才有较明显的降低 ; 与石墨导电混凝土相比 , 风淬钢渣导电混凝土表现出了优异的力学性 能 .表 4 风淬钢渣形态对混凝土体积电阻率的影响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 风淬钢渣导电混凝土的强度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图 3反映的是风淬钢渣导电混凝土抗压强度的发展情况 . 从图 3可以看出 , 风淬钢渣与水泥质 量比在 1 1左右时还有利于导电混凝土后期抗压强度的发展 .3 钢渣混凝土导电特性分析3. 1 钢渣中导电组分分析钢渣中因 FeO 的含量 (18%30% 较高 , 故其电导率极高 . Thannhauser 8对 FeO 的电导率 -1-16 236建 筑 材 料 学 报 第 8卷就在 1001000 -1m -1左右 . 本文在初期试验时 , 通过掺入质量分数为 20%FeO, 水泥浆体的 体积电阻率可从 1. 4 105 cm 迅速降低到 5 102 cm , 这

23、也表明 FeO 能显著降低混凝土的 体积电阻率 .图 3 风淬钢渣导电混凝土的抗压强度发展 Fig. 3 Development o f co mpr essive strength ofSSQW electr ic co nduct ive concrete钢渣主 要组分 包括 CaO, SiO 2, FeO, M g O, MnO, Al 2O 3, P 2O 5, f -CaO 9, 本文采用的 风淬钢 渣的化学组分见表 2. 图 4是风淬钢渣的矿物组 成 . 从图 4可以看出 , 风淬钢渣主要含有 C 2S, C 3A 和铁的化合物 , 而铁的氧化物中 FeO 占有较高的 比例 . 因

24、此可以认为风淬钢渣中导电组分为 FeO, 其他组分因电导率较低或含量太低而对风淬钢渣 电导率没有太大的影响 .3. 2 钢渣混凝土导电性能的改善与应用从电导率看 , 钢渣中导电组分 FeO 并不逊色 于碳纤维 , 但由于 FeO 是固 溶在钢渣中的 , 即其 被其他组分阻隔 , 因此钢渣实际电导率不仅比碳纤维低 , 甚至还低于其他可用于混凝土中的导电材料 .从钢渣的形成特点来看 , 钢渣是炼钢过程中形成的残渣 , 炉料中一些元素如 Fe 被氧化后生成 氧化物 , 最后形成固溶体 , 而这些固溶体一般被包裹在硅酸二钙和铝酸三钙中 . 如对钢渣进行粉磨 , 可以破坏固溶体的连续状态 , 更充分地将

25、导电组分 FeO 暴露出来 , 提高导电组分之间的接触 , 使其 导电性增加 ; 另外 , 在钢渣总量不变的情况下 , 随钢渣的细化 , 导电组分之间距离减小 , 也可使钢渣 导电性提高 . 因此如将钢渣同时以颗粒状和粉末状形式掺入到混凝土中 , 将可以明显提高混凝土的 导电性能 .图 4 风淬钢渣的矿物 组成 F ig. 4 X RD pattern of SSQ W从钢渣的颗粒特征以及来源情况来看 , 以钢渣代替集料用于混凝土并不需改变现有混凝土的 施工工艺条件 , 而且对新拌混凝土性能和硬化混凝土的性能均没有明显的不利影响 . 实际使用时因 为不存在成本问题 , 可以在混凝土中掺入很高比

26、例的钢渣 , 因此可以通过扩大导电混凝土的导电截 面积来达到所需的导电性能要求 .4 结论1. 将风淬钢渣掺入到水泥基体中 , 混凝土体积电阻率可从 1. 4 105cm 降低到 3 103237第 3期钱觉时等 :风淬钢渣用于制备导电混凝土的试验研究238 建 筑 材 料 学 报 第8卷 2. 以风淬钢渣作为导电组分配制出的混凝土, 不仅具有比较好的导电性能, 而且还具有比较优 异的力学性能. 3. 风淬钢渣导电混凝土的体积电阻率随龄期增长保持有较好的稳定性. 参考文献: 1 2 李仁相. 导电混凝土采暖地面 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