钢渣导电沥青混凝土电学性能研究.pdf
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1、C o n s t r u c t i o nM a c h i n e 施 r y C 机 on械s t r uc & t i o n 施 Te 工 c h n 技 o l o 术 g y RM CM & _ 钢 渣 导 电 沥 青 混 凝 土 电 学 性 能 研 究 Re s e a r c h o n El e c t r i c a l Pr ope r t i e s o f Co nd uc t i ve As pha l t Conc r e t e M a de o f S t e e l S l a g 陈 丰 , 吴 少鹏 , 张 园 CHEN Feng,W U Shao
2、peng,ZHANG Yuan 武 汉 理 工 大 学 硅 酸 盐 材 料 工 程 教 育 部 重 点 实 验 室 , 湖 北 武 汉 4 3 0 0 7 0 Key L abor a t or y f or Si l i ca t e M at er i al s Sci enc e and Engi neer i ng of M i ni s t r y of Educa t i on W uhan Univer si t y o f Technol ogy,W uhan 430070,Hubei ,Chi na 【 摘要 】 利用 钢 渣矿 料制 备 出S u p e r p a v e
3、 1 2 5 型 钢 渣导 电沥 青混 凝 土 , 研 究 了钢 渣 集料 、 石墨 粉 、 碳 纤维 等 材料 对 降低 电阻率 的贡献 , 进行 了室 内升 温和 室 外融 雪试 验 。 研 究结 果表 明 : 钢 渣能 作 为集料 制 备 出体 积 性能 合格 的沥 青 混凝土 , 钢 渣导 电集料 大 大提 高 了沥青 混凝 土 的导 电能 力 ; 石墨 降低 电阻率 的能 力要 明 显强 于碳 纤维 : 导 电沥 青 混凝 土温升 随 时 间呈二 次抛 物线 规律 变 化 。 室外 融 雪试验 融 雪效 率 为3 2 。 【 Ab s t r a c t 】 l n o r d e
4、r t o e v a l u a t e t h e c o n t r i b u t i o n o f a s p h a lt c o n c r e t e t o r e s is t i v i t y b y ma t e r ia ls i n c l u d i n g s t e e l s la g aggr egat e,gr aphit e pow der and car bon f i ber ,s t eel sl ag aggr ega t e i s appl i ed t o pr epar e Super pavel 2 5 t ype con duc
5、 t ive asphal t concr et e,and i ndoor heat i ng t est as w el l as out door snow m elt i ng t est is conduc t edThe r esul t s i ndi c at e t h at st eel slag can be used as aggr egat es t o pr epar e asphal t concr et e w hi ch has qual i f i ed vol um e per f or m ance,and i m pr ove t he c onduc
6、t ivi t V of a sph alt c oncr et e r em a r k ably;gr aphit e per f or m s bet t er t han c ar bon f i ber on decr ea sing r esi s t i vit y;conduct ive asphal t concr et e s t em per at ur e i ncr em ent has a r elat i onshi p of s ec ond deg r ee par abol a w it h t i m e,and out door snow- m el t
7、 ing t es t suggest s t he m elt i ng ef f icienc y r eaches 32 【 关 键词 】 钢 渣 ; 沥 青混凝 土 ; 路用 性 能 ; 电阻率 【 K e y wo r d s】 s t e e l s l a g ; a s p h a l t c o n c r e t e ; p a v e me n t p e r f o r ma n c e ; r e s i s t iv it y 中 图 分 类 号 : U41 6 2 1 7 文 献 标 志 码 : B 文 章 编 号 : 1 0 0 0 0 3 3 X( 2 0 1
8、 0 ) 1 1 0 0 5 1 0 4 0 引 言 钢 渣作 为炼 钢过 程 中 的废 弃物 。 已在 各行 业成 功得 到应 用 , 且利 用 率逐 年 增 加 。 钢 渣在 道 路工 程 中用 于底 层 和 基层 的技术 已相 当成 熟 , 近 年来 , 将其 作 为集 料添 加 到 沥青 混凝 土 中作 为路 面材 料使 用 也 得到 了验证 在2 0 0 9 年 为 迎 接 国 庆 6 0 周 年 的 北 京 长 安 街 大 修 工 程 中 用 钢 渣 代 替 玄 武 岩 用 于 沥 青 路 面 表 层 施 工 , 为 钢 渣 在 沥 青 路 面 工 程 领 域 的 推 广 应 用
9、起 到 了示 范 作 用 冬 季 路 面 积 雪 结 冰 会 给 道 路 畅 通 和 行 驶 安 全 带 来 严 重影 响 ,如 能制 备 出路 用性 能和 电学性 能都 满 足 要 求 的 导 电沥青 混凝 土 , 就 可 以利 用 电热 效 应融 雪化冰 。 钢 渣 中 含 有 相 当数 量 的铁 , 平均 含 量 约 为2 5 , 其 中金 属铁 约 占 1 0 3右 。 P e r v i z A h me d z a d e 等 通 过测 量体 积 电阻率 发现 钢 渣 沥青 混合 料 的 导 电能 力要 优于 普通 石 灰岩 沥 青 混合 料 。本 文利 用 导 电性 优 良 的钢
10、 渣作 为沥 青 混凝 土 中全 部 集 料 , 希 望在 满 足 沥青路 面 路 用性 能 的 同时 , 能 对导 电沥 青 混 凝 土 电学 性 能 有 所 改 善 。 1 原 材 料 优 选 1 1 石 墨 选 用 导 电性优 良的 鳞 片 状 ( 晶 质) 石 墨 , 主 要 性 能 指 标 如表 1 所 示 。 1 2 碳 纤 维 选 用 沥青 基碳 纤 维 , 其 主 要性 能指 标 如表 2 所示 。 施工 机械 施工 技术 Co n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y C o n s tr u c t i o n T e c h n o l o
11、 g y 表1石 墨 的 主 要 性 能 指标 指梅谴 1 6 8 7 5 2 1 0 Z 1 4 9 o j 4 7 5 l 妒 1 3 钢 渣 选 用 武钢 旋 转炉 钢 渣 , 并通 过 水浴 加 速 陈化 处理 , 其 主 要性 能指 标 如表 3 所示 。 袭 3钢 渣 集 料 的 主 要 性 能 指 标 3 5 O 4 1 23 5 30 8 5 3 30 90 5 5 1 4 沥 青 选 用湖 北 国创 重交 A H一 7 0 沥 青 , 其 主 要 指标 分别 为 : 针 入度 ( 2 5 o C, 1 0 0 g , 5 S ) 为6 6 ( 0 1 mlq 1 ) , 软
12、化点 ( 环 球 法) 为 4 9 5 , 延 度 ( 5 c m- rai n , l 5 ) 为 l 5 0 c m。 1 5 普 通 集 料 与 矿 粉 选用 湖 北 京 山玄 武 岩 , 最 大 粒径 为 1 6 mm; 矿粉 为石 灰 岩 矿粉 , 亲水 系 数为 0 9 , 密度 为2 7 0 2 g C IT I 。 2 钢 渣 导 电 沥 青 混 凝 土 的 制 备 2 1 级 配 设 计 路 面 融 雪化 冰 导 电功 能层 考 虑 设 置 在 上 面层 最 佳 这 样 可 与 冰 雪 直 接 接 触 , 热 效 率 高 , 同 时 考 虑 到 沥 青 混 凝 土 结构 内部
13、 要 有 足够 间 隙 容 纳 导 电相 材 料 。 因此 选 用 S u p e q mv e 1 2 5 的矿 料 级 配 类 型 l 2 I 。 钢 渣 的合 成 筛 孔 通 过 率 如 表 4 所 示 。 利 J S u p e r p a v e 设 计 软 件 结 合 贝 雷 法 中CA 值 i 13 F A值 控 制 , 绘 制 出 符 合 要 求 的 s型 钢 渣 级 配 曲 线 , 普 通 玄 武 岩 合 成 级 配 与 钢 渣 合 成 级 配 曲 线 基 本 重 合 以 保 证 可 比性 。 同时 考 虑到 石 墨要 占一 定体 积 , 其粒 径 大小 与 矿 粉 相 当
14、, 且 与 沥 青 结合 良好 , 故 将其 等体 积 替 代 矿 粉 。 计 算 公 式 为 , Ms = 一 ( 1 ) p( 式 中 : , M 未 掺 石 墨 和 掺 入 石 墨 的 矿 粉 质 量 ; 掺 入 石 墨 的 质 量 ; P , P。 石 墨 和 矿 粉 的 密 度 。 表4合 成 级 配 筛 孔 通 过 率 通过察鹏 1 0 0 9 3 9 7 7 1 5 2 9 2 8 i 7 2 0 9 5 19 1 0 ,9 8 畦5 2 2 沥 青 用 量 的 确 定 制备 钢渣 沥 青混 凝土 时 以计算 出的最 佳 沥青 用 量 5 2 为基 点 进 行 O 3 0 + 0
15、 5 的微 调 , 通 过 对 比 分析 不 同油 石 比下旋 转压 实 试 件 的体 积 性 能( 孑 L 隙 率 、 沥 青 饱和 度 、 矿 料 间 隙率 等) 来 确 定最 佳 油 石 比 ; 钢 渣 沥青 混合 料 最 佳油 石 比定 为6 8 , 大于 玄 武 岩 沥 青 混 合 料 的油 石 t L ( 5 0 ) , 这 主要 是 由于 钢 渣颗 粒表 面 的粉 化 性及 多 孔特 点而 造成 其沥 青 吸 附量 大于 玄 武岩 , 即油 石 比增 大 。 由于 石墨具 有 吸油 的特 性 , 1 g 石墨 大概 要 吸收0 5 g 左 右 的沥 青 ,故 在 制 备导 电沥
16、青 混凝 土 的过 程 中要 根据 掺 入 石墨 的量相 应 地 增 加 沥 青 的 用 董 。 3 钢 渣 导 电 沥 青 混 凝 土 电 学 性 能 研 究 为 了发挥 钢 渣 良好 的导 电能力 本 文 对钢 渣导 电沥 青 混凝 土 的 电学 性 能作 了一 定 分析 。探 讨 掺入 不 同导 电 相 材 料 ( 石 墨 、 碳 纤 维) 后 钢 渣 导 电沥 青 混凝 土 的 电阻 变 化 规 律 , 同 时成 型 融 雪试件 , 进行 室 内升 温和 室 外 融雪试 验 研 究 导 电沥 青 混凝 土 的 电热效 应 。 3 1 钢 渣 导 电 沥 青 混 凝 土 电 阻 率 研
17、究 3 1 1 电 阻 的 测 量 方 法 对 于 固体 电阻 的测 量 方 法 有 四探针 电极 法 和简 单 的 两极 法 。通 常情 况 下 四探 针 电极 法 的测 量结 果要 准确 一 些 但 由于 沥青 混凝 土 试件 通 常采 用 垂直 击 实成 型 或压 实成 型 埋 入 电极 困难 :本 研 究选 用简 单 的两 极 法 测 电 阻 。测量 时选 用 标准 马 歇 尔试 件 ,同 时在 极板 与试 件 接 触 时 垫上 薄 层石 墨粉 减 少接 触 电 阻的产 生 , 且 测量 时都 在 2 0左 右 下进 行 。体 积 电阻率 ( 2 ) 式 中 : p , 体 积 电阻率
18、 ; 测 量 电阻 : 5, 三 马 歇 尔 试 件 的 面 积 和 高 度 。 3 1 2 钢 渣 对 降低 电 阻 率 的 贡 献 普通 集 料 沥青 混凝 土 掺 入石 墨 的单 导 电组 分 电导率 渗流 阀值 在 1 O ( 石 墨 占沥青 体 积百 分 比) 左 右 。为研 究钢 渣导 电沥 青 混凝 土 渗流 阀值 ,分 别测试 不 同 石墨 掺量 下 的钢 渣沥 青 混凝 土 电阻率 。 如 表5 所 示 。 当石 墨掺量 小 于 5 时 , 电阻 率 大于 1 O x l O s n m; 当掺 量 为 6 时 , 电阻 率 突 降 到3 9 x 1 0 n IT I , 降
19、低 了至 少3 个 数量 级 。由此 判 断掺 入 石 墨的 钢渣 导 电沥 青 混凝 土 电导 率渗 流 阀值 在5 6 之 间 。 由此可 见 , 相 对于 普 通沥 青 混凝 土 , 钢 渣 导 电沥 青 混 凝土 中钢 渣能 将石 墨 的渗 流 阀值 降低 5 左右 。 表5低 石 墨 掺 量 下 钢 渣 沥 青 混 凝 土 电 阻 率 变 化 情 况 为进 一 步 量化 钢 渣对 电导 率 的贡 献 ,本研 究 同 时 测 量 了 高 石 墨 掺 量 下 普 通 玄 武 岩 沥 青 混 凝 土 与 钢 渣 沥 青 混 凝 土 的 电 阻率 ( 两 者 合 成 级 配 基 本 相 同)
20、 , 结 果 如 表 6 所 示 对 比发 现 , 不 同石墨 掺量 下 钢 渣沥 青混 凝 土 的 电阻率 均 比普 通 沥青 混凝 土 降 低3 个 数量 级 左右 , 大 大提 高 了导 电能 力 。 裹 6高 石 墨掺 量 下 电 阻 率 比 较 n m 由以上 分析可知 钢 渣作 为集 料添加 到 沥青 混凝 土中 能 大大提高导 电能力_ 3 _。钢渣 中F e O 含量较 高( 1 8 3 6 ) , 并 且 还含 有 大量 金属 铁 ; T h a n n h a u s e 等 对 F e O的 电导 率 进 行 过 系统 的研 究 , 测 得室 温下其 电导 率为2 0 0
21、 0 n m 。 由于 钢 渣中 的单 质铁 和二价 铁都 是 良导体 , 在 给钢 渣导 电沥青 混凝 土施加 电压 时 电子 能在 钢渣 中不 同价态 铁之 间迅速 转移 , 从而实现 了 电子在 沥青混凝 土集料 内部的运动 。 与普 通 导 电沥 青 混 凝 土 中 的 电子 只 能 在 骨 架 间 隙 中传 导 相 比 , 在掺入 石墨 后 钢 渣沥青 混凝 土 内部 形成 了固体 集 料和 固 体 粉 末复合连接 的导 电通路 , 因此其 导 电效 果 良好 。 3 1 3多 导 电相 下 电 阻 率 研 究 石墨 的润滑性 会削 弱沥 青混凝 土 的强度 , 而碳 纤 维作 为
22、力学 增 强材 料 可 显 著 提高 沥 青 混 凝 土 的 力学 强度 : 同 时 , 电导率极 高的碳纤 维也 能有效 降低 混凝 土 电阻率【 4 J 。 本 研 究进 一 步 分析钢 渣集料 、 石 墨粉 、 碳 纤 维 三种 导 电相 共 同作 用时 电阻率 随导 电相 掺量 的变化 规律 。 只 掺 入碳 纤 维 ( 占集 料 质 量 的0 2 0 5 ) 时 , 钢 渣 沥 青 混凝 土 电阻率 维 持在 l O 1 0 4 n r f l 之 间 结果 如 图 l 中 上 部 曲 线 所 示 。 说 明 碳 纤 维 能 显 著 降 低 钢 渣 沥 青 混 凝 土 电阻率 , 但
23、 随掺 量 变 化效 果 不明 显 。 因为纤 维 只 能停 留 在 骨 架孔 隙 中, 且 不容 易分 散 , 当 掺 量超 过 0 3 之 后 , 明显 结成 团状 ,只 能依 靠 其 自身相 互 搭桥 及 与连 接 部 分钢 渣 导 电相 颗 粒 形 成 有 限 的 导 电 通 路 。 由表6 结 果 分析 知 石墨 掺 量 为 1 8 时 电阻 率 为2 3 3 5 n m, 超 过 此 掺量 后 , 电阻 率 降低 趋 于 平 缓 , 因此 考 虑 以 1 8 石墨 掺 量 为基 点 ,研 究 三种 导 电相 复 合后 电 阻率 随 碳 纤维 掺量 的变化 趋势 , 结 果如 图 1
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