鐵粉對水泥砂漿強度和導熱性能的影響

錢 錕，譚 燕，肖衡林

(湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

目前，內置碳纖維發熱線應用于道路融雪化冰已經比較廣泛[1-2]，對已有道路改造，通常需要鏟除瀝青層，對混凝土層進行開槽，在埋置碳纖維發熱線后，需要對開槽勾縫進行回填。實際工程中，往往直接用瀝青作為回填材料，但是瀝青材料具有強度不足、導熱性能較差的缺點[3]。因此，需要使用具有一定強度且導熱性能良好的材料，既可以有效保護碳纖維發熱線，又可以減少熱能損失。

水泥砂漿是一種傳統回填材料，應用廣泛，對道路砂漿的強度要求一般為M20強度等級以上[4]。鐵粉是指尺寸小于1 mm的鐵顆粒集合體，是粉末冶金的主要原料。鐵粉顆粒的密度一般為7.854 g/cm3，遠遠高于細骨料砂的密度(中粗河砂一般為2.58 g/cm3),將高強度的細骨料混入砂漿中替代河砂可以提高材料力學強度[5]，同時作為金屬材料，其導熱能力也遠遠優于普通河砂。鄭宇博等[6]將鋼纖維摻入水泥砂漿，得出河砂可以使纖維混雜體系硬化物保持較高的強度，膠砂比為1∶2時，硬化物的力學性能較好。張偉平、沈雷等[7-8]對于砂漿混凝土進行導熱系數研究，發現砂率、骨料種類及其體積分數、水灰比和飽和度也均對其導熱系數有影響，需用熱線法導熱系數儀來測試這種固體導熱系數[9]。雷巖等[10]將鐵粉加入電纜復合材料之中，結果表明：在電纜復合材料中摻加一定量的鐵粉可以降低材料的電阻性能，提高其導熱性能。

然而，目前對水泥砂漿內摻鐵粉的研究相對較少，筆者通過對不同鐵粉摻量的水泥砂漿試塊進行抗壓、抗折和導熱系數試驗，研究材料的力學性能和導熱性能的變化規律，得出鐵粉摻量與材料強度及導熱系數之間的關系，為實現新型、高效道路融雪化冰回填材料的研究打下基礎。

1 試驗方案

1.1 原材料與配合比設計

采用華新水泥(鄂州)有限公司制造的P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，廈門艾思歐標準砂有限公司生產的標準試驗砂以及南通新華鐵粉廠生產的中號鐵粉，主要為30～100目(圖1)。

圖1 中號鐵粉

拌合水采用普通自來水，滿足規范對水泥基材料試驗用水的要求[4]。考慮到鐵粉相比于鋼纖維，更易分散和拌和，適當提高膠凝材料的含量，最終膠砂比取為1∶3。由于該配合比砂漿強度要高于M30砂漿強度，故對膠凝材料采取內摻的方法，即用同等質量的鐵粉取代同等質量的水泥，達到減少工程成本的目的。分別對M30水泥砂漿內摻質量分數為3%、5%、7%和10%鐵粉進行試驗，抗壓、抗折和導熱系數試驗分組見表1。

表1 試驗分組 kg/m3

1.2 試件制備方案

將水泥、砂和鐵粉按比例混合，使用JJ-5型砂漿攪拌機先進行兩分鐘慢攪(自轉140±5 r/min，公轉62±5 r/min)，同時緩慢加入相應質量的自來水，慢攪完畢后再進行兩分鐘快攪(自轉285±10 r/min，公轉125±10 r/min)。全部攪拌完畢后分別注入抹油后的40 mm×40 mm×160 mm和70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試模以及Φ61.8 mm×Φ20 mm，體積約為60 cm3的環刀之中，澆筑成型后放置振搗臺進行1 min的振搗，隨后立即用塑料薄膜覆蓋以防硬化期間水分蒸發，24 h后拆模并移至標準養護室(溫度20±5℃，相對濕度 95%)養護28 d。養護完畢后分別進行抗壓、抗折和導熱系數試驗，每種試驗同一鐵粉摻量需制備三組相同試塊以減小試驗誤差。

1.3 抗壓試驗

對不同鐵粉摻量的的五組試塊進行抗壓試驗，試塊規格為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(圖2)。將試件安放在試驗機的下壓板或下墊板上，試件的承壓面應與成型時的頂面垂直，試件中心應與試驗機下壓板或下墊板中心對準。開動試驗機，當上壓板與試件或上墊板接近時，調整球座，使接觸面均衡受壓。承壓試驗應連續而均勻加荷，加荷速度為1 kN/s，當砂漿強度不大于2.5 MPa時，宜取下限。當試件接近破壞并迅速變形時，停止調整試驗機油門，直至試件破壞，然后記錄破壞荷載，抗壓試驗結果見表2。

圖2 抗壓試驗

表2 抗壓強度 MPa

1.4 抗折試驗

采用美特斯工業系統(中國)有限公司生產的抗折抗壓試驗機，對不同鐵粉摻量的試塊進行抗折試驗，試塊規格為40 mm×40 mm×160 mm。將試件一側放置試驗機支撐圓柱上，試件長軸垂直于支撐圓柱，控制 50 N/s±10 N/s的速率均勻地將荷載垂直加在棱柱體相對側面上，直至試塊破壞，記錄試件折斷時施加于棱柱體中部的荷載，得到抗折強度見表3，試件破壞前后見圖3。抗壓強度計算公式如下：

圖3 抗折試塊

表3 抗折強度 MPa

式中：Rf為抗折強度，Ff為折斷時施加于棱柱體中部的荷載，L為支撐圓柱之間的距離，b為棱柱正方體截面的邊長。其中，L=100 mm，b=40 mm。

1.5 導熱系數試驗

使用湘潭湘儀儀器有限公司生產的DRE-Ⅲ導熱系數測試儀，對五組不同鐵粉摻量的圓餅狀試塊進行導熱系數試驗，規格為Φ61.8×20 mm(圖4)。將傳感器用兩塊圓餅試塊蓋住夾緊，連接到儀器上，在電源電壓測試均正常后進行調零，先對有機玻璃以及石英玻璃進行測試，確定儀器測試結果正常后，調好參數對各個試塊進行測試，試驗結果見表4。

圖4 DRE-Ⅲ導熱系數測試儀

表4 導熱系數

2 結果分析與討論

2.1 強度試驗結果的分析與討論

不同鐵粉摻量試塊的抗壓和抗折試驗結果分別見圖5、圖6。

圖5 不同鐵粉摻量試塊抗壓強度

圖6 不同鐵粉摻量抗折強度

由圖5、圖6分別可以看出，不摻鐵粉時，試塊抗壓強度與抗折強度分別是37 MPa和10.9 MPa。在水與砂質量不變的情況下，摻入一定量的鐵粉替換水泥后，隨著鐵粉摻量的增多，試塊抗壓強度與抗折強度均呈現下降趨勢，且近似呈線性關系。將三組試塊試驗結果與不摻鐵粉試塊對比，鐵粉摻量為10%的試塊抗壓強度減小了約20.2%，抗折強度減小了約27.6%；鐵粉摻量為5%的試塊，其抗壓強度、抗折強度分別下降了約10%和14.7%。由此可見，少部分質量水泥用相同質量鐵粉替換后，由于鐵粉凝結與硬化效果不及水泥，隨著水泥含量的減少，試塊抗壓強度、抗折強度也隨之降低，鐵粉對試塊力學強度的影響更偏向砂性，隨著膠凝材料的減少，試塊力學強度會出現小幅度下降趨勢。由于摻入鐵粉的質量遠遠小于水泥的質量，其力學強度有所下降，然而其仍具備不摻鐵粉試塊70%以上的強度。將試驗結果進行擬合，發現這兩組力學強度試驗結果都是呈線性關系，近似于為一次函數曲線，抗壓強度試驗結果擬合曲線為：y1=36.97-0.82x，抗折強度試驗結果擬合曲線為：y2=10.85-0.30x。可以看出兩組曲線的斜率均小于零，整體呈現下降趨勢，但是明顯看出抗壓強度試驗結果所得到的擬合曲線的斜率絕對值是要明顯大于抗折強度試驗結果所得到的擬合曲線，說明隨著鐵粉摻量的增多同時水泥質量的減少對試塊抗壓強度的影響是要遠高于對試塊抗折強度的影響。

2.2 導熱系數試驗結果的分析

不同鐵粉摻量試塊導熱系數試驗結果見圖7。

圖7 不同鐵粉摻量試塊導熱系數

由圖7可以看出，導熱系數的變化出現先上升后下降的趨勢。從不摻鐵粉試塊到鐵粉摻量為5%試塊導熱系數呈現上升趨勢，相比于不摻鐵粉試塊，鐵粉摻量為5%，試塊導熱系數提高了約8.4%。而在鐵粉摻量為5%到10%時，導熱系數呈現下降趨勢，在鐵粉摻量為5%時，試塊導熱系數到達峰值，鐵粉摻量為10%試塊相比于鐵粉摻量為5%試塊導熱系數下降了約14.6%。當鐵粉摻量小于5%時，由于鐵粉的摻入，因其本身具有較高導熱性，對導熱系數有一定的提高。而當鐵粉摻量大于5%后，此時由于膠凝材料的減少造成試塊密實性的降低，其空氣的體積逐漸增多，導致材料的導熱系數開始降低。將試驗結果進行擬合，得到導熱系數的試驗結果近似于二次函數，擬合曲線為：y3=2.60+0.10x-0.01x2。由此曲線可以計算出峰值將出現在x≈4.42時，此時y3≈2.83。由此可以預測，當鐵粉摻量為4.42%時，可以達到最高導熱系數2.83 W/(m·k)。

2.3 試驗結果的綜合分析

砌筑砂漿按抗壓強度劃分為M30、M25、M20、M15、M10、M7.5、M5 7個強度等級[4]，本試驗中鐵粉摻量為5%以內的試塊抗壓強度都不低于M30，且試塊的抗折強度沒有明顯差異，力學強度均達要求；鐵粉摻量為5%的試塊導熱系數高出其他試塊9.2%到16.8%，導熱性能最好，因此，鐵粉摻量為5%的新型回填材料，既能滿足回填材料所需的強度要求，又具備一定的導熱系數，具有較大的應用價值。

將這三組試驗的結果用Origin擬合成曲線進行對比分析，當試塊鐵粉摻量為4.42%時，最大導熱系數，具有較好的導熱性能，由于兩種力學試驗的試驗結果擬合曲線斜率小于0，故其力學強度會優于5%鐵粉摻量試塊。可見，鐵粉摻量與回填材料的強度和導熱系數具有很好的相關性，當鐵粉摻量約為4.42%時，道路融雪化冰填埋碳纖維發熱線材料各項性能最優。

3 結論

1)用鐵粉替換等質量的水泥摻入水泥砂漿后，隨著鐵粉摻量的增加，其抗壓強度與抗折強度均呈下降趨勢。

2)當鐵粉摻量達到鐵粉與水泥總質量5%前，隨著鐵粉摻量的增加，同等質量水泥的減少，水泥砂漿材料導熱系數呈現上升趨勢；當鐵粉摻量在鐵粉與水泥總質量的5%到10%之間，隨著鐵粉摻量的增加，同等質量水泥的減少，導熱系數大小呈下降趨勢。

3)鐵粉質量達到鐵粉與水泥總質量的5%時，水泥砂漿導熱性能達到最優；而由試驗結果擬合得到，最優鐵粉摻量為4.42%。因此，對于埋設的碳纖維發熱線會有較高的傳熱效率，同時具備工程所需的力學強度。相比其他材料，鐵粉價格不高同時用量也不高，具有實際工程應用價值。