鋼渣_碳纖維發(fā)熱混凝土地板的研制

1、2008年第2期(總第220期Number 2in 2008(Total No.220混凝土Concrete許孝春1,宋建成1,馮晉陽2(1.孝感學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院,湖北孝感432000;2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽材料工程教育部重點試驗室,湖北武漢410070Abstract:The cause of adding steel slag in carbon fiber conductive concrete on reduce the carbon fiber content has been analyzed.The applica-tion of steel slag-carbon fiber

2、conductive concrete in building heating was attempted ,and the design method of electrode spacing ,and measured the electric thermal power of conductive concrete was introduced.Preliminary results show that ,this concrete can realize indoor heating ,and it also has other advantages such as easy cons

3、truction and low cost.Key w ords:steel slag ;electric conduction concrete ;electric thermal power ;electrode spacing ;indoor heating摘要:碳纖維導(dǎo)電混凝土中摻加水淬鋼渣細粉,可改善導(dǎo)電混凝土導(dǎo)電、變形等性能,并有效降低導(dǎo)電混凝土的制備成本。本文嘗試了鋼渣-碳纖維導(dǎo)電混凝土在建筑采暖工程中的應(yīng)用,介紹了室內(nèi)采暖導(dǎo)電混凝土的設(shè)計與施工方法,并對導(dǎo)電混凝土進行了交流溫升試驗。初步結(jié)果表明,該混凝土可以達到室內(nèi)采暖目的,同時具有施工方便、造價低廉等優(yōu)點。關(guān)鍵詞:鋼渣;導(dǎo)電

4、混凝土;電熱功率;電極間距;室內(nèi)采暖中圖分類號:TU528.041文獻標志碼:A 文章編號:1002-3550(200802-0122-03Developm ent of steel slag-carbon fiber heating concrete floorXU Xiao-chun 1,SONG Jian-cheng 1,FENG Jin-yang 2(1.College of City Building ,Xiaogan University ,Xiaogan 432000,China ;2.Silicate Material Engineering Ministry of Educa

5、tion Priority Laboratory ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 410070,China 鋼渣-碳纖維發(fā)熱混凝土地板的研制收稿日期:2007-09-28基金項目:湖北省教育廳資助項目(D2006260020引言在普通混凝土中加入導(dǎo)電相(如導(dǎo)電顆?；?qū)щ娎w維后,可以使其電阻系數(shù)大大降低。這就使得混凝土不僅可以作為一種建筑承載材料使用,而且還將在混凝土損傷自診斷、電工、電磁屏蔽、采暖工程等諸多方面發(fā)揮重要作用1。因此,導(dǎo)電混凝土的誕生,使得混凝土向多功能、智能化邁出了重要一步。目前導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電相主要是采用鋼纖維、碳纖維及石墨等,但

6、均存在諸多缺陷。如鋼纖維導(dǎo)電混凝土的電阻率,經(jīng)過一年以后增大了60倍2-3;石墨因自身的粉末狀,形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)所需要的摻量大,且與混凝土的黏結(jié)力弱,混凝土力學(xué)性能下降明顯。碳纖維的導(dǎo)電性能及導(dǎo)電穩(wěn)定性都很好,但其價格昂貴,如在采暖工程中要求混凝土的電阻率為102cm 左右時,碳纖維的體積分數(shù)約占1.5%2.0%,混凝土的造價達到2000元/m 3以上,且強度有所降低4。導(dǎo)電混凝土因為環(huán)保、節(jié)能等一系列優(yōu)點,在建筑采暖工程中有著廣闊的應(yīng)用前景。但導(dǎo)電混凝土應(yīng)用于實際工程尚有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決,如導(dǎo)電混凝土的電極設(shè)計、使用過程中混凝土電阻率的穩(wěn)定性、通電時的安全性能、發(fā)熱變形問題等。本文利用粗

7、鋼渣較大的吸收變形能的特點以改善混凝土的發(fā)熱變形問題,利用粉磨細鋼渣的導(dǎo)電性能及對碳纖維的分散作用降低碳纖維的體積百分摻量,根據(jù)工程實際設(shè)定出混凝土發(fā)熱功率及其電極間距,把鋼渣-碳纖維導(dǎo)電混凝土制作成地板用于室內(nèi)采暖,并對導(dǎo)電混凝土進行了交流溫升試驗,以檢驗混凝土的電熱性能?；炷翆?dǎo)電發(fā)熱原理:普通混凝土電阻率一般在105109cm 范圍內(nèi),既不屬于絕緣體,也不屬于良導(dǎo)體5。在混凝土中摻加導(dǎo)電組分,如碳纖維、石墨、金屬材料等,隨著導(dǎo)電組分的增加,導(dǎo)電材料間出現(xiàn)搭接并形成局部的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),電流通過電子或空穴在局部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)間并通過隧道效應(yīng)躍過導(dǎo)電組分間的基體阻隔而傳導(dǎo),混凝土的電阻率減小;當導(dǎo)電組分

8、的摻量增大到某一臨界值時,局部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)相互接觸從而在基體內(nèi)形成相互連通的導(dǎo)電通道,混凝土的電阻率急劇減小,可達幾個甚至十個數(shù)量級以上;當導(dǎo)電組分的摻量超過臨界值并繼續(xù)增加時,混凝土的電阻率雖進一步減小,但減小的幅度大大降低6。鋼渣中含有相對較多的FeO 組分,根據(jù)Thannhauser 對FeO的電導(dǎo)率的系統(tǒng)研究7,測得室溫下其電導(dǎo)率為2000-1m -1,這說明FeO 是良好的導(dǎo)電組分。但鋼渣中的FeO 一般被包裹在C 2S 和C 3A 等組分中,必須對鋼渣進行粉磨,破壞這種包裹狀態(tài),使FeO 充分暴露,提高其相互接觸的幾率,從而改善其導(dǎo)電性能。粉磨鋼渣雖能有效降低混凝土的電阻率,但由于鋼渣

9、粉呈細小顆粒狀,不利于彼此的搭接,同時依然有許多FeO 被鋼渣其它成分包裹處于固溶狀態(tài),因此混凝土仍具較高的體積電阻率。碳纖維摻加到混凝土中,由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性及較大的長徑比,不僅可有效地連通鋼渣中的導(dǎo)電相而削弱其壁壘效應(yīng),實用技術(shù)PRACTICAL TECHNOLOGY122(2鋼渣采用武漢鋼鐵集團公司的水淬鋼渣,用清水沖洗、烘干,后進行不同程度的磨細,分為0.160.315mm 粒級的細粉(鋼渣I 與510mm 粒級的骨料(鋼渣II 備用。鋼渣的化學(xué)成分如下。(3其他原材料湖北云夢水泥廠32.5級普通硅酸鹽水泥;任丘市興業(yè)化工有限公司生產(chǎn)的羧甲基纖維素分散劑(粉末型;河南建苑工程材料有限公

10、司生產(chǎn)的FDN-1高效減水劑與普通除泡劑;砂子為普通河砂。粗骨料為鋼渣II ,細骨料為普通河砂,鋼渣I 的主要作用是與碳纖維一起降低混凝土的電阻率?；炷粱鶞逝浜媳仍O(shè)計為C (水泥Q (鋼渣I W (水S (砂G (鋼渣II =10.80.451.751.5,碳纖維的體積百分摻量為1.2%,試驗前對混凝土的性能,主要是導(dǎo)電性能和抗壓強度進行了測試。測試混凝土的導(dǎo)電性能時,將尺寸為40mm ×40mm ×160mm 的混凝土試樣兩端用砂紙打磨(去掉油漬,用毛刷刷凈,再在兩端固定塑料板成盒狀,頂端的一塊塑料板上安裝有尺寸為40mm ×40mm 的薄銅片作為電極,測試時

11、向盒中注滿水銀(如圖1。因水銀自身電阻率非常小且能保證與混凝土及電極充分接觸,可消除電極與混凝土接觸電阻給測試結(jié)果帶來的影響。經(jīng)測試,混凝土的體積電阻率為78.04cm ,混凝土的強度等級為C20,坍落度為8cm 。1.2導(dǎo)電混凝土的施工設(shè)計混凝土電極間距的設(shè)計選擇試驗樓一小倉庫作為試驗對象,使用面積為1.8m ×2.7m ,房高3.1m ,兩面墻體為室外墻,并設(shè)有一普通鋁合金窗,尺寸為1.3m ×1.2m 。對于一個固定的區(qū)域,一般大氣壓強是一個固定值(如湖北省孝感地區(qū)的大氣壓為765mmHg ,可把室內(nèi)空間看作一個近似的密閉絕熱系統(tǒng),當發(fā)熱地板在室內(nèi)工作時,室內(nèi)空氣吸收

12、發(fā)熱地板產(chǎn)生的熱量,導(dǎo)致室內(nèi)溫度升高。公式如下:P t=U 2t/R=m 空氣C p 式中:P 導(dǎo)電混凝土地板發(fā)熱總功率;t 通電發(fā)熱時間;U 通電電壓;R 導(dǎo)電混凝土地板的總電阻;m 空氣、C p 、分別為室內(nèi)空氣質(zhì)量、比熱及上升的溫度,其中:m 空氣=空氣V 房間,空氣=1.293g/L ,C p =1.0032J/(g K ?；炷猎O(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)除了混凝土配合比,即混凝土組成材料比例外,另一個就是混凝土電極間距的設(shè)計。本文設(shè)定功率為1kW ,采用36V 安全電壓,混凝土施工設(shè)計如圖2所示。設(shè)定導(dǎo)電混凝土由n 塊并聯(lián)而成,每一塊厚度為5cm ,沿電極方向的長度為1m ,因此:R 小塊=L/

13、S(1式中:R小塊、S 分別為小塊混凝土的電阻、電阻率、導(dǎo)電面積,其中=78.04cm ,S=0.05m 2;L 為電極間距,m 。所以R 小塊=15.6L (2另外,P=U 2/R 總(3因混凝土采用并聯(lián)方式連接,有:R 總=R 小塊/n(4式中:P 、U 、R 總n 小塊混凝土的發(fā)熱總功率、通電電壓和總電阻。其中P=1000W ,U=36V ,代入式(3、(4得R 總=1.30,n=12L (5根據(jù)室內(nèi)地面尺寸,設(shè)計5小塊導(dǎo)電混凝土,即n=5,代入式(5,則L=0.417m 。根據(jù)物理學(xué)知識可知,只要每小塊混凝土更主要的是碳纖維本身可形成有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),因而可以顯著降低混凝土的電阻率。鋼渣

14、的加入不僅改善了混凝土基材導(dǎo)電性能,同時作為細粉能分散在碳纖維之間,有效地提高碳纖維的分散性,使得碳纖維的體積摻量從2.0%降至0.8%左右,從而有效降低了導(dǎo)電混凝土的生產(chǎn)成本?？梢?在混凝土中摻加適當種類和含量的導(dǎo)電相,可使混凝土變成具有良好導(dǎo)電性能的導(dǎo)電體。當與外部電源接通后,導(dǎo)電混凝土就可以產(chǎn)生熱量(將電能轉(zhuǎn)化成熱能。1導(dǎo)電混凝土的設(shè)計與制作1.1準備工作原材料(1碳纖維采用吉林市神舟碳纖維有限責(zé)任公司生產(chǎn)的聚丙烯腈(PAN 基碳纖維(牌號為TX-3,短切處理后的長度為8mm 左右,表面未經(jīng)處理,主要技術(shù)指標如下。密度/(g/cm 31.76表1碳纖維的主要技術(shù)指標拉伸強度/GPa2.8

15、3.5拉伸模量/GPa180220伸長率/%1.5電阻率/(!m 30單絲直徑/"m68含炭量/%93表2水淬鋼渣的化學(xué)組成%CaO 39.2SiO 218.74FeO 29.37MgO 0.07Al 2O 32.13MnO 2.02Na 2O 1.04f-CaO 0.06K 2 O 0.09123(1表4表明,在-6.23.6的溫差范圍內(nèi),混凝土通電發(fā)熱2h ,室內(nèi)空氣溫度上升大致在15.520.4之間,上升幅度受室內(nèi)外溫差的影響較大。導(dǎo)電混凝土通電發(fā)熱后,混凝土板面及室內(nèi)空氣溫度逐漸升高,從而室內(nèi)外產(chǎn)生對流和輻射換熱。當室內(nèi)外的溫差(T 內(nèi)-T 外為正值,即室外溫度低于室內(nèi)時,混

16、凝土通電2h 后室內(nèi)溫度上升的幅度較小,且溫差越大,上升幅度越小。反之亦然。(2利用導(dǎo)電混凝土的電熱效應(yīng)能否達到室內(nèi)采暖的目的,一方面與室內(nèi)、外產(chǎn)生的熱量損失有關(guān),另一方面與達到混凝土通電后發(fā)熱功率的大小有關(guān)。混凝土發(fā)熱功率的設(shè)定要根據(jù)升溫的時間要求、環(huán)境溫度、室外的風(fēng)速、建筑的隔熱效果、導(dǎo)電混凝土自身的密度、比熱、導(dǎo)熱性能等因素綜合考慮?；炷恋脑O(shè)定功率最小值不得低于單位時間內(nèi)實際溫差下的熱能對流輻射造成的熱損失。(3導(dǎo)電混凝土的設(shè)定功率值為1038W ,而實測功率為982W ,較設(shè)定功率稍小,原因尚不清楚,可能與混凝土中導(dǎo)電碳纖維分布不均或施工時導(dǎo)電混凝土層厚不均等因素有關(guān)。需要指出的是,

17、對于導(dǎo)電混凝土通電發(fā)熱過程中的變形性能、后期發(fā)熱功率的穩(wěn)定性、使用安全性及耐久性等一系列問題尚待研究。本文采用安全電壓,作為解決室內(nèi)采暖混凝土使用安全性的一種嘗試;以鋼渣II 作為粗骨料,目的之一就是利用其可吸收部分變形能的特點,以改善混凝土的變形性能。本混凝土連續(xù)使用一個月,其變形性能、發(fā)熱功率的穩(wěn)定性表現(xiàn)良好。3結(jié)論(1鋼渣粉磨后可作為導(dǎo)電相摻入混凝土,當渣灰比為0.8、碳纖維的體積百分摻量為1.2%時,混凝土的電阻率降低至78.04cm 。(2碳纖維導(dǎo)電混凝土摻入鋼渣細粉能有效降低碳纖維的體積百分含量,并可應(yīng)用于室內(nèi)采暖工程。導(dǎo)電混凝土電極間距的設(shè)計取決于導(dǎo)電混凝土的發(fā)熱功率、導(dǎo)電電阻率

18、及導(dǎo)電混凝土的尺寸,而導(dǎo)電混凝土的發(fā)熱功率取決于室內(nèi)升溫速率的要求,最小功率取決于混凝土單位時間內(nèi)熱對流輻射損失。參考文獻:1唐祖全,李卓球,侯作富.融雪化冰用碳纖維混凝土的導(dǎo)電性能研究J.武漢理工大學(xué)學(xué)報,2002,24(8:32-34.2YEHIA S ,TUAN C Y ,FERDON D ,et al.Conductive concrete overlay forbridge deck deicing :mixture proportioning optimization and propertiesJ.ACI Materials Journal ,2000,97(2:172-181.

19、3陳兵,吳科如,姚武.纖維增強混凝土導(dǎo)電性能的研究與應(yīng)用J.混凝土,2002(7:23-26.4YEHIA S ,TUAN C Y ,FERDON D ,et al.Conductive concrete overlay forbridge deck deicing :mixture proportioning ,optimization ,and propertiesJ.ACI Materials Journal ,2000,97(2:172-181.5蔣正武,孫振平,王新友.導(dǎo)電混凝土技術(shù)J.混凝土,2000(9.6唐祖全,李卓球,侯作富,等.導(dǎo)電混凝土路面材料的性能分析及導(dǎo)電組分選擇J.

20、混凝土,2002(4:28-31.7徐毓龍.氧化物與化合物半導(dǎo)體基礎(chǔ)M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1991.作者簡介:許孝春(1967-,男,副教授。單位地址:湖北孝感學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院(432000聯(lián)系電話:0712-*注:1為室內(nèi)外的溫差(內(nèi)-外,2為導(dǎo)電混凝土通電2h 后相應(yīng)溫差下室內(nèi)空氣上升的溫度。1/2/1/2/本文采用1050mm ×50mm ×0.3mm 的不銹鋼片做電極。為保證電極與混凝土之間不會脫落或松動,必須把電極預(yù)埋在混凝土中,且必須在電極上預(yù)先打一些孔洞,使電極左右的混凝土能完全貫通,孔洞直徑為5mm ,間距為100mm 。在電極的兩端,用不銹鋼的螺桿、螺母、彈簧墊片與鍍上一層錫(防止生銹的銅導(dǎo)線連接在一起。銅導(dǎo)線要較粗,保證能夠通過至少1000W/m2的輸入功率對應(yīng)的電流。1.3混凝土的施工基層的隔熱處理施工前先將基層清潔平整,再在室內(nèi)中央適當范圍內(nèi)平鋪2mm 厚絕緣材料,表面鋪一層塑料薄膜。絕緣材料采用浙江振申絕熱科技有限公司生產(chǎn)的泡沫玻璃絕熱板,平鋪時盡量不留縫隙,混