利用風淬鋼渣制備導電盲道磚的實驗研究*

彭 佳

(四川建筑職業技術學院材料工程系，多組元合金德陽市重點實驗室，四川 德陽 618000)

低溫天氣的人行道會積雪結冰，造成人們行走困難，甚至造成安全事故。撒融雪劑和人工鏟雪是傳統的除冰雪方式，但是存在著效率低，費用高，污染環境，易腐蝕結構構件等問題，尋找新的融雪化冰方式成為亟待解決的問題。導電混凝土(Electrically Conductive Concrete，ECC)的出現，為道路融雪化冰開辟了新的思路[1-5]。導電混凝土是往普通混凝土中摻入導電介質來降低其電阻，從而利用電熱效應來融雪化冰，具有高效、廉價和環保等優點，具有重要的研究價值。

盲道磚是為盲人安全出行提供便利的道路設施。研發具有電熱效應的盲道磚，對于保障包括盲人在內的行人安全出行具有重要意義。但是，目前關于導電盲道磚的研究還很缺乏。

制備導電盲道磚的關鍵在于選擇合適的導電材料。綜合目前各種技術，導電材料不外乎兩類：一類是導電顆粒，一類是導電纖維，二者的導電機制不同，實際中常將兩類材料復合使用以獲得更好的導電效果[6]。

鋼渣是煉鋼過程中產生的固體廢渣，價格低廉，產量巨大，具有良好的導電性能。碳纖維因為抗拉強度高和彈性模量大，常常被用于建筑結構的補強加固。而碳纖維還具有耐高溫、高導電和耐腐蝕等特性，能作為導電材料應用。經過大量實驗篩選，我們發現大摻量鋼渣和小摻量碳纖維組合的方案具有良好的技術效果和成本優勢。利用該方案制備了一大批具有電熱效應的導電盲道磚樣品，優化了其配方，并研究了其電熱規律。

1 實 驗

1.1 原材料及主要儀器

(1)水泥：P·O 42.5R的普通硅酸鹽水泥，利森水泥。

(2)鋼渣，主要化學成分為：Al2O3含量6.07%，FeO含量22.30%， CaO含量26.85%，MgO含量5.63%，SiO2含量22.60%，鋼渣細度為24目。

(3)短切碳纖維：拉伸強度3500 MPa，密度1.75 g/cm3，電阻率1.0～1.6 Ω·cm，標準長度6 mm，纖維直徑7 μm，廣東東麗。

(4)電極網：304不銹鋼篩網，孔徑4目，絲徑0.4 mm；

(5)低壓穩壓直流電源，電壓精度為0.001 V，電流精度為0.001 A，華誼電氣。

(6)數顯單點紅外測溫槍，測溫范圍：-38～520 ℃，精確到0.1 ℃，德力西電氣。

(7)水泥膠砂攪拌機。

(8)小型混凝土振實臺。

1.2 樣品制備

根據盲道磚模具尺寸，將電極網裁剪為邊長25 cm的正方形，在電極網上連接上銅導線備用。盲道磚的制備分三層進行，上下層為水泥砂漿，中間層為導電砂漿。先在模具底部刷油，鋪底層1 cm厚的M10水泥砂漿，放入下層電極網，然后鋪2 cm厚的導電砂漿，再放入上層電極網，最后鋪面層1 cm 厚的M10水泥砂漿。將試件整體放到混凝土振動臺上振動 60 s左右，直到試件面層不再冒氣泡為止。在水泥終凝前用抹刀進行二次抹面收光。將試件1 d以后脫模，在室溫條件下進行自然養護。制備單塊盲道磚試件的原材料配合比如表1所示。其中，水泥砂漿利用人工拌合。導電砂漿利用水泥膠砂攪拌機制備，具體步驟如下：先將水和碳纖維放入攪拌鍋，高速攪拌 30 s使碳纖維均勻分散，隨即加入水泥低速攪拌30 s，再利用加砂漏斗加入鋼渣和ISO標準砂，繼續低速攪拌30 s，再高速攪拌30 s，然后停拌90 s，用工具將攪拌葉片上附著的膠砂刮入攪拌鍋，最后高速攪拌30 s，即完成導電砂漿的制備。

表1 單塊盲道磚試件原材料比例Table 1 Raw material proportion of single blind brick sample

1.3 實驗方法

在室溫條件下，利用低壓直流電源，對盲道磚試件進行了的電熱實驗研究。為了便于對比，在測試樣品上事先隨機標注了6個測試點，如圖1所示。電熱實驗中，利用紅外測溫槍每隔一定時間依次采集6個測試點的溫度，每個點測試三次，取平均值，溫度精確到0.1 ℃。

圖1 盲道磚樣品測試點示意圖Fig.1 Test points of blind brick samples

2 實驗結果與分析

2.1 不同電壓作用下的電熱實驗

在不同電壓作用下，導電混凝土的電學參數會發生變化[7]。實驗研究了60 d齡期的盲道磚試件在5～30 V直流電壓作用下的電熱規律，結果如圖2所示。試件放在實驗工作臺面上散熱。圖2中的溫度數據為盲道磚樣品上6個測試點的平均值。可以看出，隨著通電時間延長，試件表面溫度能逐漸升高。試件表面的發熱效率隨電壓增加而增大。在較低電壓加載下(5～10 V)，試件60 min的溫升值很小，尤其是5 V加載下，溫度幾乎沒有上升，說明較低的電壓并不能使大量電子產生定向移動，進而產生熱效應。在30 V加載下，試件的發熱效果最好，通電60 min，溫升達到了20.7 ℃。同時，30 V曲線相對于25 V曲線有明顯的跳躍式增長，符合擊穿電壓的特征。考慮到人體安全電壓(36 V)限制，工程實際應用加載電壓不宜超過36 V，綜合考慮認為30 V電壓具有重要的研究價值。

圖2 5～30 V直流電壓作用下升溫結果Fig.2 Temperature rise results under the action of 5～30 V DC voltage

2.2 電流和表面溫度的關系

圖3 電流和溫度的關系Fig.3 Relationship between current and temperature

在實際工程中，要直接監測大面積盲道磚表面的溫度比較困難，而通過量測電流來推算盲道磚表面溫度，這對工程實際應用具有重要意義。圖4顯示了在30 V電壓下，試件表面溫度和電流之間的關系，其中，表面溫度為6個測試點的平均值。根據本次實驗曲線，通過軟件擬合，確定其擬合公式為二次函數：

圖4 30 V電壓作用下電流與表面溫度的關系Fig.4 Relationship between current and surface temperature under 30 V voltageT=A+BX+CX2

(1)

式中：T——試件表面溫度，℃

1——擬合系數，147.38666

2——擬合系數，-353.0867

3——擬合系數，244.65412

X——電流，A

這樣，通過監測盲道磚電熱實驗中的電流，可以根據該公式大致推算出表面溫度。可以看出，當試件電流上升，功率上升，試件表面溫度與電流滿足二次拋物線規律。

2.3 長時間通電實驗

在實際工程中，盲道磚的下方是水泥砂漿層，散熱效果顯然不同于實驗工作臺。為了模擬工程實際，在試件下方鋪2 cm厚含水率為2%的河砂墊層，利用30 V直流電壓進行了長時間通電實驗，結果如圖5所示。實驗發現隨著通電時間延長，試件表面的溫度上升趨勢是先快后慢，但是發熱效果比在實驗臺上明顯降低。這是因為潮濕的河砂墊層散熱能力更強，從而降低了試件的表面溫度的上升速率。通電60 min，試件表面溫度僅升高了11.7 ℃。通電150 min以后，曲線趨于平緩，通電180 min時，表面溫度達到極限值42.5 ℃，相對于初值，此時溫升值達到了20.5 ℃，180 min到200 min內試件表面的溫度基本都保持恒定。

圖5 30 V長時間通電升溫結果Fig.5 Results of 30 V long-time power on and temperature rise

2.4 化冰實驗

利用兩個盲道磚模具，分別注入600 mL自來水，制備了兩塊1 cm厚的冰塊。將冰塊分別放置在盲道磚表面進行通電融化和自然融化。室溫20 ℃，濕度78%。試件下方仍然鋪 2 cm厚含水率為2%的河砂墊層，加載30 V直流電壓進行化冰實驗。實驗發現，發熱盲道磚上的冰塊融化進程明顯更快，在 45 min時即融化完畢，而此時自然融化的冰塊還有約0.8 cm厚。自然融化的冰塊完全融化用了154 min。隨著電熱化冰的進行，部分融化水滲透進入了試件內部，導致試件內部含水率上升，導電性能明顯增強，電流持續增大，發熱功率持續增加，使得化冰進程加速進行。

通電120 min內電流變化情況如圖6所示。通電最初5 min內，電流的下降，可以認為是極化作用，5 min達到電流最小值0.605 A，此時的功率為290.4 W/m2，5 min以后電流開始穩定上升，通電80 min，電流達到最大值3.803A，此時功率也達到最大值1825 W/m2。80 min以后電流開始回落，說明此時滲入試件內部的水分因為受熱蒸發而大量失去，使得試件電阻開始回升，電流減小，120 min時的電流值和53 min時的電流值相等。在通電的120 min內，融化水分的滲入并沒有引起電路短路的現象。通電120 min時，試件表面的平均溫度已達到了54.2 ℃，遠遠超過了干燥狀態下試件的表面極限溫度 42.5 ℃，這是由于發熱功率增大引起表面溫升值更大。

圖6 化冰實驗電流結果Fig.6 Current results of ice melting experiment

利用導電混凝土的電熱效應融雪化冰時，根據能量守恒定律，導電混凝土通電所產生的熱量， 應等于混凝土升溫的蓄熱量、冰雪升溫及融化吸收的熱量和熱量損失三者之和。其關系可表示如下[9-10]：

PΔt=mCpΔT+miCpiΔTi+Qlmi+QS

(2)

式中：m、Cp、ΔT分別為導電混凝土的質量、比熱和升高的溫度，mi、Cpi、ΔTi分別為冰的質量、比熱和冰升高的溫度，P為導電混凝土的發熱功率；Δt為通電時間;Ql為冰的熔解熱，Ql=334 kJ/kg；mi為冰塊的質量；QS為融雪化冰過程中導電混凝土或冰、雪與周圍環境的熱量損失，假定忽略熱量損失。經過估算，當環境為-30 ℃時，假設盲道磚升溫到0 ℃，考慮通電時間120 min限制，盲道磚融化表面1 cm厚的冰塊所需的最低發熱功率約為784 W/m2，根據實驗測定的電流變化情況可知，通電30 min后，發熱功率已經超過該值，說明該盲道磚在低溫環境仍然具有一定的融雪化冰潛力。

3 結 論

利用鋼渣加碳纖維的復摻體系，制備了具有電熱效應的盲道磚，研究了其在不同工況下的電熱規律，發現導電盲道磚具有融雪化冰的應用潛力。本文主要結論如下：

(1)5～30 V電壓作用下，盲道磚試件的表面溫升值隨電壓增加而增加，其中，30 V發熱效果最好，通電60 min，表面溫升能達到20.7 ℃。

(2)在30 V電壓作用下，試件的電阻隨溫度升高而減小，通過擬合發現電流和試件表面的溫度滿足二次函數規律。

(3)室溫條件下，以潮濕河砂作為墊層，30 V電壓下，通電180 min時，試件表面的極限溫度為42.5 ℃，前后溫升達到了20.5 ℃。

(4)室溫條件下，30 V直流電壓作用下，導電盲道磚能在45 min時融化表面1 cm厚的冰塊，與之對應，自然融化相同規格的冰塊需要154 min。