（材料学专业论文）粉煤灰混凝土导电性能研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 混凝土作为当今普遍使用的最大宗的建筑施工材料，长久以来其自身的各项 性能指标得到了极大的关注。然而，关于混凝土自身具备的导电性能的研究则相 对有限，以往研究的焦点则主要集中在2 个方面，一是通过引入导电组分制备导 电混凝土用于特殊工程，二是利用测定混凝土的电阻间接反映混凝土的其他性能 指标的变化情况。本课题的重点则在于通过试验，考察分析了各种内在影响因素 和外在影响因素对混凝土自身导电性能的影响作用。 矿物掺合料已成为现代混凝土必不可少的组分，粉煤灰则是使用范围最广用 量最大的一类矿物掺合料。此外，粉煤灰会出现铁含量较高的情况，一般认为铁 相物质的存在是利于导电性能的。因此，研究粉煤灰掺入，尤其是高铁粉煤灰的 掺入，对混凝土导电性能的变化影响是很有意义的。 本课题研究，通过展开与普通混凝土的对比试验，重点讨论了粉煤灰混凝土 的导电性能，综合分析了内在影响因素，包括胶凝材料的总量，龄期，粉煤灰的 掺量和粉煤灰的含铁量，以及外界影响因素，包括含水量和温度的变化。最终总 结试验分析结果表明：1 无论是否掺用粉煤灰，混凝土体系的电阻率均随胶凝材料 用量的增大而增大；2 在前期( 7 d ) ，粉煤灰混凝土体系的电阻率随着粉煤灰掺量的 增加而略微有所下降；到了后期( 1 4 d ) ，电阻率反而随着掺量的增加而明显增大； 3 无论粉煤灰的铁含量或高或低，粉煤灰混凝土体系电阻率都随着粉煤灰的掺量的 增加而增加。然而，在确保胶凝材料总量一致的前提下，粉煤灰中铁含量越高， 混凝土体系的电阻率则越小；4 含水率的提高会增强粉煤灰混凝土体系的导电能 力，掺用的粉煤灰越多，混凝土体系的导电能力对含水率变化的敏感程度越低， 且此时粉煤灰铁含量的高低不存在明显的作用；5 混凝土的体系电阻率会随着温度 的下降而有较为明显的增加，而在未达到温度临界值之前，随着温度的上升反而 会有一定程度的下降，但当达到临界值之后，会发生急剧的上升。掺用粉煤灰可 以减缓这种变化的趋势，且在为达到温度临界值时，高铁粉煤灰的掺入对混凝土 体系的导电性能有促进作用。 关键词：混凝土，粉煤灰，导电性能，铁含量，电阻率 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t c o n c r e t e 勰t h em o s tw i d e l ya n dl a r g e l yu s e db u i l d i n gc o n s t r u c t i o nm a t e r i a lh a s b e e np a i dm u c hm o r ea t t e n t i o nt oo ni t sv a r i o u sp r o p e r t i e sf o ral o n gt i m e a n das e r i e s o fr e l a t i v e s t u d ya n d r e s e a r c hh a db e e nc a r r i e do u t h o w e v e r , t h e r ea r ef e w i n v e s t i g a t i o n s o nt h ec o n c r e t ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y t h ee x i s t i n gr e s e a r c hm a i n l y f o c u s e so nt h e2f i e l d s ：1 p r o d u c et h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v ec o n c r e t e b yu s i n g c o n d u c t i v ec o m p o n e n t s ；2 t e s tt h ec o n c r e t er e s i s t i v i t yt oi n d i r e c t l yr e f l e c tt h ec h a n g e so f t h eo t h e rp r o p e r t i e s t h ek e yo ft h i ss t u d yi st h a tt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t st h ei n f l u e n c e s o fs e v e r a li n t e r i o ri n f l u e n c ef a c t o r sa n de x t e r i o ri n f l u e n c ef a c t o r so nt h ec o n c r e t e i n h e r e n te l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yh a v e b e e ni n v e s t i g a t e da n da n a l y z e di nd e t a i l s t h em i n e r a la d m i x t u r e sh a v eb et h ei n d i s p e n s a b l ec o m p o n e n to fm o d e mc o n c r e t e s f l ya s hi st h em o s tw i d e l ya n dl a r g e l yu s e do n e a n do c c a s i o n a l l yt h ec o n t e n to fk o n o x i d ei nt h ef l ya s hw i l lb eh i g h e rt h a ti st h o u g h tt ob eg o o dt ot h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y t h u s ，t h es t u d yo nt h ee f f e c to fu s i n gf l ya s h , e s p e c i a l l yf l ya s hw i t hh i g hi r o no x i d e c o n t e n ko nt h ec o n c r e t ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yi sv e r yu s e f u l i nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h ep a r a l l e le x p e r i m e n t so nt h en o r m a lc o n c r e t ea n dt h e c o n c r e t ew i t hf l ya s h , t h ei n t e r i o ri n f l u e n c ef a c t o r si n c l u d i n gt h et o t a lb i n d e rd o s a g e ，t h e a g e ，t h ef l ya s hd o s a g ea n dt h ei r o no x i d ec o n t e n to ft h ef l ya s h ，a n dt h ee x t e r i o r i n f l u e n c ef a c t o r si n c l u d i n gw a t e ra b s o r p t i o na n dt e m p e r a t u r eh a v e b e e na n a l y z e d c o m p r e h e n s i v e l y f i n a l l y , t h er e s u l t sr e v e a l e d ：1 n om a t t e rw h e t h e rt h ef l ya s hi su s e d , t h ec o n c r e t es y s t e m a t i cr e s i s t i v i t yb o t hi n c r e a s e sa st h eb i n d e rd o s a g ei n c r e a s e s 2 w h e n t h ef l ya s hi su s e d , i ne a r l yp e r i o d ( b e f o r e7 d ) ，t h ec o n c r e t es y s t e m a t i cr e s i s t i v i t ys l i g h t l y d e c r e a s e sa sf l ya s hd o s a g ei n c r e a s e s i nl a t e rp e r i o d ( a f t e r1 4 a ) ，i tr e m a r k a b l yi n c r e a s e s a sf l ya s hd o s a g ei n c r e a s e s 3 n om a t t e rh o wm u c hi r o no x i d et h ef l ya s hc o n t a i n s ，t h e c o n c r e t es y s t e m a t i cr e s i s t i v i t yi n c r e a s e sa sf l ya s hi n c r e a s e s h o w e v e r , w i t ht h es a m e b i n d e rd o s a g e , t h em o r ei r o no x i d et h ef l ya s hc o n t a i n s ，t h el o w e rt h es y s t e m a t i c r e s i s t i v i t yi s 4 t h ei n c r e a s eo fw a t e ra b s o r p t i o nw i l lp r o m o t et h ec o n c r e t es y s t e m a t i c e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y a n dt h em o r et h ef l ya s hi su s e d ，t h el e s ss e n s i t i v e l yt h ec o n c r e t e s y s t e m a t i cr e s i s t i v i t yr e a c t sa st h ew a t e ra b s o r p t i o nc h a n g e s i nt h i sc o n d i t i o n , t h ei r o n o x i d ec o n t e n to ft h ef l ya s hh a sn o to b v i o u si n f l u e n c e 5 t h ec o n c r e t es y s t e m a t i c r e s i s t i v i t yw i l li n c r e a s er e m a r k a b l ya st h et e m p e r a t u r ed r o p s ，a n dd e c r e a s et oad e g r e ea s t h et e m p e r a t u r er i s e sb e f o r er e a c h i n gt h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r e m e a n w h i l e ，a f t e rr e a c h i n g 重庆大学硕士学位论文英文摘要 t h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r ei tw i l ld e c r e a s es h a r p l y u s i n gf l ya s hi nt h ec o n c r e t ec a l le a s e t h i sd e v e l o p i n gt r e n d a n do nt h eh i 【g h e rt e m p e r a t u r et h em i x t u r eo ft h ef l ya s hw i t hh i 曲 i r o no x i d ec o n t e n tc a l li m p r o v et h ec o n c r e t ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y k e y w o r d s ：c o n c r e t e ，f l ya s h , e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y , i r o no x i d ec o n t e n t r e s i s t i v i t y 1 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庭盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：_ 4 0 0 0高 2 0 0 0 0 0 0 由 1 0 0 0 2 0 0 0低 1 0 0 - 1 0 0 0很低 1 0 0可以忽略 利用混凝土自身的导电性能进行混凝土氯离子渗透性能的测试，最明显的优 点在于这样加快了测试的速度，有效地缩短了试验的周期，同时根据长期试验研 究累积的经验和总结的数据，使之成为一种行之有效并为人们所采纳的测试方法， 但不可否认的是，这种基于混凝土导电性能发展而来的测试方法的准确性还是不 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 可避免的受到以下几方面原因的影响：首先，混凝土的孔隙溶液中存在的其他离 子也会影响电流的通过；其次，测试是在混凝土体系内的氯离子还未达到稳定迁 徙移动之前就开始进行的；再者，对混凝土持续施加较高的电压会导致混凝土试 件本身温度的升高，从而使通过混凝土的电量有所增加。 b 利用混凝土导电性评估钢筋的锈蚀情况 钢筋混凝土结构的耐久性已是当今世界的重大现实问题之一，其中因钢筋锈 蚀导致混凝土结构的过早破坏，又成为影响耐久性的主导因素。许多国家的工业 建筑、海洋建筑、桥梁等，远达不到设计所要求的使用年限，而修复和维护这些 建筑物又需要巨额资金。美国1 9 8 5 年度全国腐蚀总损失达1 6 8 0 亿美元，而其中 4 0 与钢筋锈蚀相关；同时，钢筋混凝土建筑物累积修复费用已达3 0 0 0 亿美元， 仅桥梁、道路的修复费就达1 0 8 3 亿美元，这主要是采用道路化冰( 雪) 盐和海洋环 境中的氯盐，对混凝土中钢筋锈蚀所造成的后果。据悉，美国共有5 7 5 万座桥梁， 已有半数以上遭受钢筋腐蚀破坏。在海洋环境或使用防冰盐的条件下，一般1 5 年 左右即出现钢筋锈蚀破坏，短者5 年即有腐蚀破坏发生。日本的海滨建筑物耐久 性调查资料表明，出现钢筋锈蚀破坏的时间约在1 2 1 5 年，俄国的工业建筑中， 可在2 。1 0 年内发生钢筋锈蚀破坏。 我国的工业建筑调查表明，一般使用寿命达不到设计要求的年限。通常的钢 筋混凝土工业厂房，平均在2 0 年左右呈现明显钢筋锈蚀破坏和腐蚀性，厂房则在 5 1 0 年内可出现严重腐蚀破坏。我国海工工程的调查表明，使用7 2 5 年的港口、 码头，大部分出现钢筋锈蚀破坏，而需要修复。海滨的桥梁、城市内外的桥梁， 也有腐蚀破坏的实例。北京西直门立交桥，建于7 0 年代中期，因使用化雪盐现在 已有明显钢筋腐蚀破坏，并开始修补工作。【9 】 因此，保持持续监测混凝土中钢筋的状态毫无疑问是十分有用的。这样可以 获得关于钢筋混凝土结构的使用寿命的重要信息。电阻测试法就是一种行之有效 的监测方法。这种方法十分简便，快速且不需要特殊的仪器设备。1 1 u j 这种测试方法的测试原理都大致相同，即在钢筋混凝土中植入相应数量的感 应元件，分别连接混凝土的钢筋也混凝土基体，外部连接稳定的电源和控制电流 大小的元件。通过监测一定数量的试件在一段较长时间内的各个电阻数值，考虑 不同的试验监测环境条件，最终建立对应得数学关系。因为随着龄期的增长，在 内部和外部因素的共同作用下，混凝土内的钢筋表面逐渐发生一系列化学反应， 从而引发了整个钢筋混凝土体系的导电性能的变化，这就说明在其他各方面条件 相对稳定的情况下，钢筋混凝土的导电性能与钢筋的锈蚀程度会存在一种对应的 数学关系。在实际应用过程中，就可以通过监测钢筋混凝土导电性能，来间接反 映钢筋的变化情况，这样可以预防混凝土结构的破坏的突然发生。 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 但不可否认这种测试方法仍然存在一定的不确定性，因为混凝土的导电性能 的测定本来就是一个不确定的过程，要受到各方面诸如温度和湿度等多方面因素 的干扰。但在前提相对固定的情况下，作为一种便捷的评定手段还是可行的。表 1 2 是有关学者研究后总结得到的湿润条件下混凝土电阻率与钢筋锈蚀情况的关 系。 表1 2 湿润条件下混凝土电阻率与钢筋锈蚀 1 a b l e 电阻率 钢筋锈蚀 ( k o c m ) - - 1 2 无腐蚀 8 1 2可能腐蚀 - - 8极可能腐蚀 c 利用混凝土导电性监测混凝土结构的损伤 民用工程建筑的结构完整性对于使用的安全性，社会生产力和社会的整体生 活质量来说是至关重要的。使用时间的增长，地震的发生，长期暴露在风浪海潮 的环境中，土壤的变化，过度的荷载和温度的剧变等诸如此类的因素通常都会影 响到建筑结构的完整性。因此，损伤监测则显得十分重要。在产生损伤过程中可 以采用声波检测方法，在发生损伤之后可以采用超声波检测方法，动态力学测试 方法或其他检测技术。但是只有实时监测技术才能及时提供所需的关于损伤的信 息。所以，十分有必要对建筑结构进行实时无损检测，以便于及时休整或弃用建 筑结构。 对混凝土结构进行实时监控可以及时获得随着时间和环境条件变化而发生的 损伤的情况，进而找出导致损伤产生的原因。然而，如果这样的信息是在损伤已 经发生的时候才得到的，那就无法提前对结构进行修整或者是对建筑结构内的人 群进行转移。实时监测就可以提前对结构体的损伤发生做出一定的评价和预测。 混凝土结构的损伤多发生在混凝土与钢筋的接触界面，新旧混凝土的接触界 面，未粘结的混凝土组成材料之间的界面和混凝土与其他掺用材料之间的界面。 采用测定混凝土导电性能的变化的方法则可以反映由以上原因引发的损伤，无论 结构的损伤的成因是静态应力，动态应力，冻融循环，徐变，还是干缩。采用混 凝土电阻测试方法监控混凝土的损伤最明显的优点在于可以监测小细微损伤的发 生，这里传统的破坏性力学测试难以做到的。【1 1 】因为在混凝土受到外力或内力作 用时，其结构必然发生变化，这就必然导致混凝土真个结构的电阻变化，就算只 是产生细微的裂缝，反映在电阻上也是一个明显的变化。这样就可以最大可能的 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 在危害性损伤发生之前，获得预警信息，提前做好排危防害的工作。测试过程中 用来测试结构电阻的仪器设备也十分简单实用，可以采用常见的“四点探针法”进行 简便的测试，图1 2 所示是典型的测试仪器实物。 图1 2 四点探针混凝土电阻测试实验装置 f i g 1 2f o u r - p r o b er e s i s t a n c et e s ts e t u p d 利用混凝土导电性监测混凝士的凝结和硬化 混凝土凝结时间的确定关系到工程的施工进度和质量控制，是非常重要的工 程参数”。我国标准g b t 5 0 0 8 0 2 0 0 2 和美国标准a s t mc a 0 3 描述了混凝土凝结时 问的测试方法，初凝时间点和终凝时间点分别意味着混凝土可塑性的消失和硬化 过程的开始，分别对应于采用孔尺寸为5 m m 筛从新拌混凝土中筛取砂浆的贯入阻 力值达到3 5 和2 8 m p a 时所需的时间。上述测试结果受人为因素影响较大，并且 当混凝土流动度较小或粘度较大时，要筛出足够量的砂浆非常困难，这就促进了其 替代方法的开法。 根据相关研究报道表明，自1 9 3 2 年以来，电的方法用于水泥基材料的水化， 判断矿物外加剂，化学外加剂等对水泥水化的影响，这些研究定性分析了水泥基 材料的水化特性。文献【协1 s l 报道了用无接触电阻率测量仪【1 9 】系统定量研究水泥净 浆的水化特征，指出水泥水化电阻率随时间发展曲线与孔结构的减少有关，与强 度发展衄线有相同的走势，水泥水化电阻率发展曲线的特征点与水化阶段相关【1 4 1 。 这种测试手段也是利用了混凝土导电性随着混凝土基体结构的变化而发生相应的 变化这种性质，通过监测混凝土电阻率的发展变化，从而间接的反映目标参数的 发展变化。但是由于混凝土电阻率测试自身受到诸多因素的干扰，所以如何确保 测试的电阻率数值，也是这种间接测定方法的关键所在。 但) 导电混凝土 早在2 0 世纪3 0 年代初，国外就开始研究导电混凝土的性能。在这一方面， 前苏联的研究比较全面，他们把在电力工业中应用的混凝土称为电工混凝土【2 0 j 。 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 他们不仅系统研究了导电混凝土的性能，还制定了相应的电工混凝土标准。他们 把电工混凝土分为三类，即绝缘混凝土、导电混凝土和特种导电混凝土。 目前，导电混凝土广泛应用的领域有：屏蔽无线电干扰、防御电磁波、断路 器地合闸电阻、接地装置、建筑物的避雷设备、消除静电装置、环境加热、电阻 器1 5 】、建筑采暖地面【2 1 1 、金属防腐阴极保护技术 2 2 1 、高速公路的自动监控、运 动中的重量称量【矧以及道路和机场的冰雪融化等，工程上还可以利用导电混凝土 的电阻率变化，对大型结构如核电站设施与大坝的微裂纹进行监测等，根据导电 混凝土的不同使用性能要求可选择不同导电相材料以及含量。 加拿大的p y eg l e n d o nb 、m y e r sr o b e r te 在研究导电混凝土时陋】，用碳质离 子作为导电混凝土的导电相，结果使混凝土的电阻率降低到导体的范围内，同时 混凝土的2 8 d 抗压强度大于3 0 m p a 。韩国的k a n g s e o k h w a 、k oj a s u l 、k i m j a ej u n 等用碳纤维作为混凝土导电相【2 6 j ，碳纤维直径为0 0 5 7 5 m m ，长度为2 4 0 m m 。 这种导电混凝土主要被用来作为一般加热、防静电、屏蔽无线电波以及防腐蚀。 中国的王刚在石墨导电混凝土的研究中田】，得出水泥含量在3 0 8 0 、石墨 5 4 0 、骨料5 5 0 较为适宜( 以上均为质量分数) ，骨料最好是矿渣、火山 灰、碎石、碎陶瓷以及砂子，这种导电混凝土主要被用来建筑物取暖、电磁屏蔽。 俄国的m a n c h u kr v ：研究导电混凝土瑚】，他认为导电混凝土可以用来保护电子设 备和职员免受电磁损伤。 加拿大的x i ep i n g 、j jb e a u d o m 等认为导电混凝土材料同时具有高的力学性 能和好的导电性【冽，并对导电混凝土用于路面融雪化冰的有效性进行了研究。1 9 9 9 年，美国的s h e r i f y e h i a 和c h r i s t o p h e r y t u a n 在总结了3 0 余年来采用各种方法( 如 化学法、地热管法、红外线灯照加热法、电热丝法、热液法等) 进行有关路面化冰 的研究进展后，提出利用钢纤维钢屑混凝土的导电性，开展了关于桥梁路面除冰 的试验研究 3 0 - 3 1 1 。1 9 9 8 年英国费莱尔集团研制出具有在很低的电压下快速变热特 性的新型导电混凝土p 2 1 。据费莱尔集团介绍，利用新型导电混凝土建造机场跑道 的除冰工作更为简便，目前，一些机场主要利用热水管来清除跑道冰雪，不仅耗 费人力，成本也高。1 9 9 9 年美国研制出“智能混凝土”，混凝土中加入碳纤维后电 阻会随外加应力的变化而成比例改变，科学家指出。利用这一特性制成的“智能混 凝士”具有传感器功能，在道路和桥梁等建筑领域将具有广泛的应用前景。2 0 0 1 年 我国广州电力设计院孙旭研究了导电混凝土在变电站接地网中的应用，取得了较 好的效果【3 3 】。2 0 0 2 年唐祖全、李卓球等研究了导电混凝土电热层布置对路面除冰 效果的影响，分析结果表明，采用导电混凝士覆层的形式布置电热层可取得较好 的融雪化冰效果【。 目前，世界各国主要通过撒盐( n a c l ，c a c l ) 来融化冰雪，这一方法是利用盐降 8 重庆大学硕士学位论文1 绪论 低水的冰点，使积雪自动融化。该法具有材料来源广泛、价格便宜、化冰雪效果 好等特点，因而得到了普遍应用。但是，撒盐法也给混凝土路面结构和环境带来 了许多负面效应，主要表现为钢筋钢纤维锈蚀、路面剥蚀破坏和环境污染等问题。 世界上不少国家因使用除冰盐，已造成道路、桥梁的严重破坏，目前正在花费巨 额费用进行修复，其经济损失十分巨大。例如，1 9 9 8 年，美国6 0 万座钢筋混凝土 桥中，被列入修复计划的费用是2 0 0 0 亿美元，是当初建桥费用的4 倍【3 5 l ；英国于 1 9 7 2 年在2 0 k m 长的高速公路段上建了1 1 座桥，因撤盐使混凝土开裂，1 5 年的修 复费已是建桥费的1 6 倍p q 。我国东北道路也因撤除冰盐造成路面严重破坏。因此， 研究新型功能混凝土及其在机场跑道等路面除冰方面的应用，具有十分重要的意 义。近年来。美、英、加拿大等发达国家开展了关于导电混凝土及在桥梁路面除冰 应用方面的试验研究。 1 2 3 粉煤灰混凝土的概况 粉煤灰又称飞灰，是一种颗粒非常细以致能在空气中流动并能被特殊设备收 集的粉状物质。我们通常所指的粉煤灰是指燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后 从烟道中排出、被收尘器收集的物质。粉煤灰是排放量最大的一种工业废料，在 所有燃煤副产品中占有绝对大的比例，并且随着世界各国对环境要求的提高、收 尘技术的发展和大量低级煤的使用，粉煤灰的排放量增长的速度非常快。由于粉 煤灰自身具备的火山灰活性，使其可以应用于制备生产混凝土。粉煤灰在混凝土 中的应用可以以2 0 世纪6 0 年代为分界线，6 0 年代前粉煤灰在混凝土中的应用大 多数取代混凝土的细集料，用于改善混凝土的和易性，这在某种程度上，也是从 环境保护的角度减少粉煤灰的处理费用。那时粉煤灰在混凝土中的应用，受到人 们对粉煤灰特性的认识以及研究水平的限制，不过最主要的原因是世界上一些发 达国家这一时期活力发电厂的规模仍然很小、设备落后，粉煤灰的质量波动非常 大。6 0 年代开始随着一些现代化的火力大电厂相继建成，粉煤灰质量比较稳定， 再加上人们对粉煤灰混凝土的认识特别是粉煤灰混凝土具有独特的技术优势，粉 煤灰在混凝土中的应用作为一种新的混凝土技术开始被人们广泛接受。经历2 0 世 纪七八十年代后，人们认识到，粉煤灰混凝土不仅可以用于普通混凝土领域，而 且还能用于很多普通混凝土难以用到的场所。【3 7 】粉煤灰的主要成分为s j 0 2 、a 1 2 0 3 和f e 2 0 3 。根据本文讨论的重点，下面分别介绍低铁粉煤灰混凝土和高铁粉煤灰混 凝土。 ( 1 ) 低铁粉煤灰混凝土 在我国，不同地区粉煤灰组成差异非常大。在化学组成方面，氧化铁的含量 随着地区的不同，其含量的差异很大。我国粉煤灰中氧化铁的含量从1 5 到1 9 7 不等，其平均值在7 1 左右【3 7 】。通常粉煤灰中的氧化铁含量随煤的级别升高而升 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 高，即无烟煤、烟煤粉煤灰中的氧化铁含量比较高，而褐煤粉煤灰比较低。一般 情况下，亚烟煤、褐煤粉煤灰中氧化铁含量不超过1 0 ，而无烟煤、烟煤粉煤灰 的含量通常在1 5 以上。特殊情况如加拿大的一种烟煤粉煤灰的氧化铁的含量高 达4 2 4 j o s h i 等( 1 9 8 8 ) 】，美国德克萨斯州的褐煤粉煤灰中氧化铁含量也有 2 1 8 s t e v e n s o n 等( 1 9 8 8 ) 】幽j 。钢筋混凝土中的钢筋容易锈蚀导致钢筋混凝土的 性能有了很大的降低，因此，一般根据常识性的理论认为钢筋混凝土的粉煤灰的 含铁量要求要低。此外，低铁粉煤灰加入钢筋中可以在钢筋与混凝土之间形成一 层包裹层，将钢筋与混凝土中的腐蚀介质隔开【3 9 】，达到预防钢筋或者是减缓钢筋 锈蚀的作用，而且低铁粉煤灰的加入不会降低混凝土的电阻率这样也达到一定程 度的防止钢筋锈蚀的作用，并且粉煤灰的微集料效应、火山灰效应【柏l 等在混凝土 的性能改善方面也有着很大的作用。 ( 2 ) 高铁粉煤灰混凝土 目前我国的部分地区的粉煤灰中铁的含量偏高，比如西南地区的粉煤灰的含 铁量可以高达2 0 之多，例如重庆珞璜电站产生的珞璜粉煤灰，它的铁含量高达 2 0 6 1 ，而重庆九龙坡电站产生的九龙坡粉煤灰，它的含铁量也高达1 7 9 9 ，相 比之下，北方的一些地区粉煤灰的含铁量则偏低，例如，河北秦皇岛电站产生的 粉煤灰含铁量仅为4 8 5 ，可见，在不同的地区，粉煤灰的含铁量的差异性是十分 大的1 4 l 】。众所周知，粉煤灰加入混凝土中可以改善混凝土的性能，增强抗渗、抗 碳化性、耐久性等等【4 2 1 ，但是当钢筋混凝土使用粉煤灰作为掺合料时，要求混凝 土的电阻率大，这是因为较小的电阻率可能会对钢筋的锈蚀有影响，而高铁粉煤 灰的加入提高了混凝土中铁的含量【4 3 l ，而铁相具有相当的导电能力，该铁相包括 了各种的铁的氧化物和极少量的铁单质。t h a n n h a u s c 一“l 对铁氧化物的电导率作过 系统测试，发现室温下f c 3 0 4 电导率约为s = 2 5 x 1 0 - 4 0 一m l 而f e o 的电导率为 2 0 0 0 0 一m 一。这势必会让我们对其加入会不会对混凝的电阻率造成影响，造成 多大的影响，对防止钢筋锈蚀有无不利的一面提出质疑。从另一个角度来看，高 铁粉煤灰的掺用是否会因为含有较多的导电组分而促进提高混凝土的导电性能， 使其可以用于特殊的用途。以上种种都要通过本课题的实验研究来发掘验证。 1 3 本文研究的目的和主要内容 1 3 1 本文研究的目的 混凝土的电阻率在素混凝土中表现的还不是很明显，它在钢筋混凝土的应用 过程中扮演着一个十分重要的角色，因为混凝土的电阻率越小就表明混凝土越容 易导电，也就的说混凝土其中的电子更加容易传导、迁移，电子的迁移势必会加 剧钢筋锈蚀的化学反应的进行。混凝土电阻率越低，腐蚀电流流过混凝土就越容 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 易，腐蚀的可能性就越大，钢筋的腐蚀量是时间的函数，即腐蚀速度不断地增大。 因此，混凝土的电阻率对混凝土的性能，特别是钢筋混凝土的钢筋锈蚀以及混凝 土构件的使用，混凝土结构的耐久性都是有着一定影响的。但根据查阅的相关文 献资料表明，对胶凝材料体系的导电性能的研究多是以砂浆为考察载体进行的， 还未见有关于混凝土自身导电性能的系统研究。 同时，考据相关的研究资料表明，添加矿物活性掺合料之后，混凝土的自身 导电性能也有发生相应的变化。t o r r i 等( 1 9 9 8 ) 研究了硅灰、矿渣何粉煤灰混凝 土电阻率的变化情况。他们发现，所有参加掺合料的混凝土【4 5 j 电阻率都比普通混 凝土高。目前，根据掌握的资料显示，关于添加硅灰、矿渣等矿物掺合料之后混 凝土自身导电性能的变化方面的研究还是占有一定的数量的。然而，作为当今最 为广泛采用的混凝土掺合料的粉煤灰对混凝土自身导电性能有何影响，相关方面 的研究报道则十分有限。在现今各种建筑施工工程中，粉煤灰已经成为一种必不 可少的混凝土组成材料，在关注普通混凝土耐久性的同时，往往粉煤灰已经作为 一种已经被认可的有益成分加入到混凝土中以改善混凝土的耐久性。由此可见， 关注粉煤灰混凝土的导电性能是十分有必要的。另外，粉煤灰中的主要成分之一 的铁相物质，其由于产地，生产工艺等各方面的原因导致其含量的高低存在较大 的差异，根据之前的介绍，认识到这在一定程度上必然会对混凝土自身的导电性 能有一定的影响。因此，鉴于以上原因的考虑本课题研究将粉煤灰混凝土的导电 性能作为探讨研究的重点。本课题就掺用粉煤灰，特别是高铁含量的粉煤灰之后， 在内在影响因素和外在影响因素变化作用下，对混凝土自身导电性能产生的一些 列影响变化展开了深入详细的研究，这也是本课题的独到创新之处。 1 3 2 本文研究的主要内容 混凝土尤其是粉煤灰混凝土的电、力、热学等性能的研究对当今建材行业的 发展有着深远的意义，其中导电性的研究是其中研究较为缺乏的一项。本课题研 究的中心是粉煤灰混凝土自身的导电性能，还重点结合对比考察高铁粉煤灰掺用 之后对混凝土的导电性能有何影响作用。 具体研究内容包括通过展开粉煤灰混凝土与普通混凝土的对比试验，考察粉 煤灰混凝土自身内在影响因素对混凝土导电能力的影响，和外界环境条件变化， 即外在影响因素，从而导致混凝土体系的导电能力随之发生相应的变化。也就是 研究影响粉煤灰混凝土导电能力发生变化的内因和外因。其中试验考察的几个内 在影响因素有：1 在混凝土中掺入粉煤灰，电阻率随胶凝材料用量不同的变化规律； 2 在混凝土中掺入粉煤灰，电阻率随混凝土龄期的变化规律；3 在混凝土中掺入粉 煤灰，电阻率随粉煤灰掺入量不同的变化规律；4 在混凝土中掺入粉煤灰，电阻率 随粉煤灰铁含量不同的变化规律，研究考察的外在影响因素则包括：1 在混凝土中 重庆大学硕士学位论文1 绪论 掺入粉煤灰，电阻率随试块含水率不同的变化规律；2 在混凝土中掺入粉煤灰， 电阻率随试块温度不同的变化规律。 本实验通过设计不同水灰比、不同粉煤灰参量、不同粉煤灰种类及不同养护 龄期的混凝土，根据数据分析，研究粉煤灰掺入量与混凝土导电性的关系，借此 分析高铁粉煤灰的掺入在混凝土的应用中有无危害，怎样改进、避免，并且为铁 含量较高的粉煤灰在适用范围内的实际工程中广泛应用有着一定的指导意义，也 有一定的参考价值。 重庆大学硕士学位论文2 原材料及试验方法 2 原材料及试验方法 2 1 试验材料 a 水泥：重庆市江津地维水泥厂生产的“地维翟o4 2 5 r 普通硅酸盐水泥， 其物理性能及化学组成分别如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 水泥的物理性能 凝结时间( m i n ) 抗折强度( m p a )抗压强度( m p a ) 安定比表面积密度 初凝终凝 性 3 天2 8 天3 天2 8 天 ( c m 2 g )国b 而 1 2 51 7 5合格 5 8 8 53 8 26 1 34 0 1 03 1 0 表2 2 水泥的化学组成 s i 0 2s 0 3f e 2 0 3a 1 2 0 3 c a o m g o 烧失量 2 1 2 03 0 13 4 65 5 55 8 6 80 8 90 8 9 b 粉煤灰：实验采用了几种不同f e 2 0 3 含量的粉煤灰，分别来自河北衡水陶 城( f a l ) ，重庆九龙坡电厂( f a 2 ) 和重庆珞璜电厂( f a 3 ) ，其化学成分见表2 3 。 表2 3 粉煤灰的化学成分( ) 种类 s i 0 22 0 3f e 2 0 3 c a o m g o 砸0 2s 0 3 l o s s e a l4 9 2 0 3 2 5 45 1 4 0 9 02 1 71 2 30 4 87 1 6 f a 23 9 1 62 3 6 31 7 9 96 2 51 7 62 0 10 4 96 3 7 b 蟠4 2 9 12 4 5 52 0 6 13 8 41 1 21 8 80 8 22 6 1 重庆大学硕士学位论文2 原材料及试验方法 c 粗集料为粒径在5 - 1 5 r a m 的碎石 d 细集料为细度模数为1 2 的特细砂 e 上海生产的神威牌聚羧酸高效减水剂( 掺量0 8 ) f 铜片：采用0 1 m m 铜片，重庆市钢材市场购买，用来制作电极。 g 采用1 0 0 m m x l 0 0 m m x 3 0 0 m m 规格的试模，成型混凝土试件，用于测试混 凝土的电阻率。 2 2 实验设备及其作用 1 ) 单卧轴强制式混凝土搅拌机，w2 0 型，沈阳建工实验仪器厂，用于混 凝土实验搅拌混凝土。 2 ) 台秤( a 匝，一1 0 ) ，最大称量1 0 k g ，最小称量2 5 0 9 ，检定分度值2 5 9 ，用 于称量物料。 3 ) 万用电表，d t 9 2 0 5 a ，用于测定混凝土试块的电阻。 4 ) 银河电热干燥箱，最高温度3 0 0 。c ，用于砂、混凝土等材料的烘干，干燥。 2 3 试件制备工艺 2 3 1 电极的制备 一般地，测试电阻值主要由试件电阻、电极电阻、电极与试件间的接触电阻 以及电极与外引导线间的接触电阻四部分组成。而实验所需的真实电阻值是试件 电阻，因此良好电极的制作是相当重要的。本实验采用铜片作为电极，因为铜电 极本身电阻极小且能较好的降低接触电阻，另外，电极的添加方法有外粘式合内 埋式，考虑到外粘式电极比较容易脱落，所以本实验采用内埋式电极，在混凝土 成型过程中将电极埋入混凝土中；铜片与导线的连接按照连接方式可以分为焊接 式和胶粘式，考虑到胶粘式在埋入混凝土中之后，震动成型时可能脱落，还有胶 粘式的电阻比较大，而且胶粘剂价格较为昂贵，所以如何设计一种实际可行，且 便于测量的电极对于实验测试结果的准确性和有效性是至关重要的。一般的混凝 土电阻测试实验中采用的电极为铜片导线式( 图2 1 ( a ) ) 和矩形式( 图2 1 ( b ) ) 。 分析对比这2 种电极，发现都存在不足。首先采用传统的铜片导线式的话，如 何在光滑的铜片上牢固的固定导线本身就是一个困难，一般采用的是焊接的方 法，但由于接触点较小，容易引发不良的焊接，甚至发生虚焊的情况，此外，在 成型混凝土试件的过程中，从电极的埋入，混凝土的填充到振动成型这个过程中， 不可避免的造成混凝土与电极之间的摩擦，由于焊接的强度十分有限，不能确保 导线与铜片有效紧密地连接，很容易导致最后测试电阻数值的失真。除此之外， 采用的导线一般多为较细的导线在成型，拆模，甚至最后的搬移测试的过程中难 1 4 重庆大学硕士学位论文2 原材料及试验方法 免会由于人为或非人为的因素导致导线在混凝土试件内部或外部的断裂，有些导 线的断裂失效可能是从外部无法观察得到的，最后也会使得测试的结果失准。在 观察矩形式电极，这种形式的电极则克服了焊接式中由于导线连接的问题，但同 时它存在这一个更大的隐患，由于电极是矩形形状，这样电极的一部分必然要伸 出混凝土试件，由于该部分与混凝土试件交界的接触长度一般十分接近混凝土试 件的实际宽度，另外由于一般采用的铜片材料表面比较光滑，即使经过一定的处 理，其与混凝土的接触粘接强度也十分有限，在这种情况下，无论是将电极置放 在混凝土试件内部，还是混凝土试件的最外侧表面，再成型完毕后的拆模和测试 使用过程中很容易发生电极的整体脱落，最终导致试件的整体报废。综合考虑分 析这2 种常用形式的电极之后，我们根据孰优孰劣，提出了一种新的形式的电极 ( 图2 1 ( c ) ) 。 厂 图2 1 混凝土电阻测试中采用的电极 f i g 2 1 e l e c t r o d e sf o rc o n c r e t er e s i s t i v i t yt e s t 所提出的这种新的形式的电极，可以有效地克服前面提到的两种传统形式的 电极的不足之处。首先，这种电极不需要使用导线作为连接体，这样就避免了由 于导线自身和导线与电极铜片连接不良引发的种种不利于实验测试的问题，减少 了一个影响测试结果的干扰因素。其次，与传统的矩形式电极相比较而言，所设 计的新的电极切实有效的减小了电极与混凝土试件上表面交界处接触边的长度， 从而减小了可能由于接触边过长引发混凝土试件断裂的可能性。另外，这种电极 也从根本上节约了原材料，即铜片的单位用量。 2 3 2 试件的制备工艺 实验将原材料按照拟定的配比混合，在搅拌机中干拌l m i n 之后，加入定量 的水将拌和料拌和均匀，成型1 0 0m m x l 0 0m m x 3 0 0 嗍的模具，并且保持两片 电极之间水平距离大约在2 0 m m ，垂直将电极埋入混凝土试件中。将成型好的试 重庆大学硕士学位论文2 原材料及试验方法 件在振动台上振动后i 天脱模，自然养护后，分别在相应的时间进行混凝土试件 的电阻的测试，所需配比见表2 4 。 表2 4 实验材料配合比 胶凝材料 粗集料细集料 水胶比 水泥粉煤灰 k g m 3k g m 3 k g m 3k g m 3 6 0 00 5 1 09 0 0 2 51 1 5 04 6 0 4 2 01 8 0 3 0 03 0 0 3 5 00 2 9 7 55 ：2 5 o 3 51 1 5 05 1 5 2 4 51 0 5 1 7 51 7 5 2 5 00 2 1 2 5 3 7 5 o 51 1 5 06 9 0 1 7 57 5 1 2 51 2 5 试验工艺流程如图2 2 所示。 图2 2 粉煤灰混凝土成型工艺流程图 f i 9 2 2 t h ef l o wc h a r to fc o n c r e t ew i t hf l ya s h 1 6 重庆大学硕士学位论文2 原材料及试验方法 成型后用于测试混凝土电阻率的试件如图2 3 所示。 图2 3 用于测试电阻率的混凝土试件 f i g 2 3 s p e c i m e nf o rc o n c r e t er e s i s t i v i t yt e s t 2 4 试件的测试 2 4 1 试件测试项目的确定 本试验最主要的是测试所成型试件的电阻率，除了测试一般情况下