文摘

石墨尾矿会造成严重的环境污染,污染问题与石墨的增加变得越来越差的要求。本文关注的是石墨尾矿混凝土,可以通过利用石墨尾矿缓解环境问题。正交试验设计,16组标本是为了调查石墨尾矿混凝土的抗压强度,和每组6个标本。的重要性顺序抗压强度的影响因素进行了研究,包括水的比例水泥、砂率,石墨尾矿的内容,和碳纤维的内容。最优的内容得到了石墨尾矿和碳纤维的进一步实验研究石墨尾矿混凝土的电特性,并进行回归分析建立预测混合设计关系的电阻率导电石墨尾矿混凝土。实验结果表明,石墨尾矿和碳纤维导电混凝土混合物有满意的机械强度以及良好的导电性。石墨尾矿含量的增加,抗压强度下降缓慢,但电阻率降低更明显。预测与拟议中的关系与实验结果吻合得很好。本研究提供了参考石墨尾矿利用率缓解环境问题。

1。介绍

石墨尾矿源于石墨矿石浮选过程(1]。石墨生产的增加,大量的尾矿含烃油,柴油,和重金属生成在中国在过去的几年中,它污染环境,占用大量的土地。尾矿粉尘随风而飞,会造成严重的空气污染。大多数以前的研究石墨尾矿主要集中在提取钒,重金属污染的评价,和泡沫混凝土的制备2,3]。已经指出,迄今为止,石墨尾矿并没有有效地开发和利用4]。本文将研究石墨尾矿导电混凝土,这样可以利用石墨和缓解环境问题。

导电混凝土是一种多相材料合成的绑定和导电材料、介电聚合物和水(5]。导电混凝土的使用除冰是一种相对较新的材料技术,和导电混凝土铺方式加热道路(5],桥梁[6),和机场(7,8]。铺平道路与导电混凝土桥面也可以提供阴极保护钢筋(9]。导电混凝土的导电材料(10- - - - - -12],取代普通混凝土骨料提供具有高导电性,通常和导电材料包括石墨、钢纤维,碳纤维(13]。石墨具有良好的导电性和压敏特性,它可以很容易地获得粉末形式(1]。具体添加石墨粉将表现良好导电性,但以前的研究表明,混凝土的强度将减少与石墨粉用量增加迅速14]。石墨用量大于15%时,电导率的增加并不明显,但抗压强度降低明显(15]。有一些石墨的石墨尾矿,所以石墨尾矿可以提供导电材料的导电混凝土(1]。石墨尾矿的增加可以减少混凝土的电阻率,和尾矿影响混凝土的强度低于纯石墨因为石墨与摇滚融合。但是石墨尾矿的内容有限,所以需要添加另一个导电材料是混凝土提高电导率。

钢纤维和碳纤维是其他两个导电材料通常用于混凝土(13]。钢纤维增强混凝土在许多方面是一个著名的建筑材料,和它的使用逐渐增加了在过去几十年(16]。然而,钢纤维导电混凝土的电阻率与年龄和环境不稳定和变化。混凝土的碱性环境使钢纤维形成一层钝化膜,导致电阻率的增加,钢纤维本身是不稳定的导电材料(17]。碳纤维的电阻率稳定在高、低温度,和碳纤维具有满意的耐蚀性。近年来,碳形式的纤维增强聚合物(FRP)材料面料和分层动力用于改造这些corrosion-damaged钢筋混凝土组件(18]。相同的电阻率会不同碳纤维如果不能保证混凝土中均匀分散,因此,均匀分散的碳纤维是一个关键因素在混凝土使用它作为导电材料(13]。使用分散剂是必要的驱散碳纤维混凝土中均匀(13,19),但碳纤维导电材料是稳定的。尾矿是很容易分散在混凝土,因为石墨尾矿大小作文甚至和粒子的平均尺寸是0.10毫米,这也将提高碳纤维的均匀分散。基于上述讨论,钢纤维不考虑和采用碳纤维石墨尾矿混凝土作为附加导电材料在这项研究中,由于建筑材料的稳定性是一个关键问题。

石墨尾矿混凝土可以应用导电混凝土电阻率是否足够好(20.),但力学性能的石墨尾矿混凝土在土木工程的重要因素。所以应该首先研究抗压强度。正交实验设计方法在土木工程广泛采用,如建筑材料(21,22和结构优化23]。正交试验设计是研究多因素和水平的设计方法,通过测试来找出最优的水平组合(24]。在这项研究中,有四个关键因素影响导电混凝土的抗压强度包括水比水泥、砂率,石墨尾矿的内容,和碳纤维的内容。这需要太多的标本与全因子设计,因此正交实验设计将采用抗压强度试验研究,以减少所需的实验标本(25]。在电气特性实验研究中,将采用四电极方法,已证明,它可以提供更准确的测量结果26比其他测量方法。

为了缓解环境问题通过利用石墨尾矿,进行以下研究。石墨尾矿被添加到常规混凝土的导电石墨尾矿混凝土、碳纤维被添加到进一步提高电导率。水的比率的影响水泥、砂率,石墨尾矿的内容,和碳纤维含量对力学特性实验研究了基于正交试验设计,然后,四电极的电特性进行了研究方法。最优石墨尾矿和碳纤维的内容进行了研究,为电阻率和混合设计的关系是由回归分析预测。

2。实验材料

2.1。的组成石墨尾矿

对实验得到的石墨尾矿样品在鸡西石墨矿城,中国。用x射线荧光化学成分分析,结果如表所示1。

尾矿的矿物组成进行了x射线衍射矿物识别和分析。尾矿的主要矿物组成是石英,钙铝榴石,铅铋钒氧化物、石墨等。表1表明,尾矿的主要成分是SiO₂,也有高水平的₂O₃和曹石墨尾矿样品。从化学成分满足混凝土骨料的基本要求。

2.2。其它实验材料

提供的水泥使用波特兰水泥π42.5哈尔滨天鹅水泥厂,中国。标准的河沙作为细骨料。碎石作为粗骨料,颗粒大小不超过20毫米。短切碳纤维的7μ米直径6毫米在名义长度作为附加导电填料,和羟乙基纤维素作为碳纤维的分散剂。去沫剂加入陪羟乙基,defoamer-cement比率为0.15%(按体积)。萘强塑剂与水泥的比例为1%(按重量计算)。

3所示。抗压强度

3.1。正交试验设计

有四个因素影响混凝土机械和电气性能的调查研究中:(A)水/水泥材料(W/C)比,(B)砂比,(C)尾矿的内容,和(D)短切碳纤维的内容,每个因素都有四个不同的水平。自256年全析因设计需要混合,采用正交试验设计,以减少混合的数量。

正交试验设计是基于概率论,数理统计,标准正交表。正交试验设计可以选择适量的代表性样本从大量的实验设计合理安排实验。设计一个最优的测试,它应该为选择合理的指标和参考因素和相应的水平。在这个测试中,所有的因素和相应的水平如表所示2。

正交试验设计的基础是正交表,它形式 在哪里象征的正交表,是由正交表安排试验的数量在这个研究(16),是最多种因素正交表安排(是选择4在这项研究中),然后呢是每个因素水平数最多的在每个单因素(是选择5本研究)。

根据正交试验设计表l₁₆(4⁵),共16个混合测试。尾矿的内容被总重量计算。碳纤维总量计算的内容,和碳纤维的密度是1.76×103公斤/米³。每立方米的细节测试混合物成分表中列出3。目标抗压强度是40 N /毫米²当W/C抗压强度是0.49,目标是35 N /毫米吗²当W/C抗压强度是0.54,目标是30 N /毫米吗²当W/C抗压强度为0.60,和目标是25 N /毫米吗²当W/C是0.49。

羟乙基首次加入水和离开20分钟让它完全溶解,然后碳纤维和消泡剂添加到水,轻轻地搅拌。其余的混合水注入混合器其次是强塑剂。然后,添加水泥是扶轮搅拌器和搅拌3分钟。搅拌机停止,碳纤维倒入搅拌机。搅拌器运行1分钟时,沙子和尾矿被添加,搅拌3分钟。最后,添加了碎石头和搅拌3分钟。被注入模子一个油混合后,电极(如适用)在新浇混凝土铺设。然后一个外部振动器被用来促进压实和减少气泡的数量。样本demolded 24小时后,然后治愈标准条件下的温度20°C和100%的相对湿度为28天(27]。

混凝土标本进行抗压强度测试的大小是150毫米×150毫米×150毫米,和每一组相同的混合比例6标本进行抗压强度测试,如图1(一)。抗压强度测试根据标准对普通混凝土力学性能的试验方法(通过国家标准GB / T 50081 - 2002),和伺服控制液压试验机如图1 (b)用于施加一个恒定应力300 kPa / s。

3.2。结果分析

抗压强度表中列出4,运用正交实验分析,得到最佳的混凝土混合物(28]。分析范围进行评估的重要性水平影响因素并选择每个因素的最优水平。范围分析,金值和范围值(R)计算如表中列出5。每个级别的金值参数的四个值的算术平均值和样品相同的水平。例如,对于混凝土强度,金1参数是混凝土强度样本的算术平均值W/C0.49。每个因素是范围值的最大和最小值之间的差异四个水平,最高和最重要的因素R价值。根据R价值,最重要的因素是尾矿内容,紧随其后W/C,他们有相似的程度的影响。然而,对于砂比和碳纤维含量、强度变化是微不足道的(5.1%和2.0%的变化,分别地。)作为参数水平发生了变化。

图2(一个)显示了算术平均抗压强度和之间的关系W/C。这表明的算术平均抗压强度降低了32.3%W/C从0.49增加到0.68,目标是一致的抗压强度和现在研究[29日,30.]。

图2(一个)显示了算术平均抗压强度和之间的关系W/C。这表明的算术平均抗压强度降低了32.3%W/C从0.49增加到0.68,目标是一致的抗压强度和现在研究[29日,30.]。

采用砂率的测试来自rational测试方法的标准范围普通混凝土的力学性能,水平之间的差异并不是很大,如图2 (b)。结果表明,抗压强度随砂率的增加,但差异非常小。是符合目前常见结果的研究,主要有含砂率影响混凝土和易性和抗压强度影响不大。石墨尾矿的行动部分也能作为细骨料,这导致砂比率接近30%的实验使抗压强度要高于有足够的可加工性。

的算术平均抗压强度随石墨尾矿的增加内容,如图2 (c)。一开始,抗压强度不退化得很快。混凝土的强度将降低迅速,如果石墨尾矿含量大于10%。石墨尾矿也包含一些自由石墨和烃油会导致迅速退化的力量。尾矿含量为10%时,抗压强度之间的关系和目标强度表中列出6从表中提取4。抗压强度并没有减少太多的目标强度因为抗压强度可以稍微提高了碳纤维。

短切碳纤维有点强化效应在抗压强度如图2 (d)。长棒状或是因为碳纤维,迄今为止用于碳纤维增强混凝土和短碳纤维是仅用于砂浆不含粗骨料或喷涂修复材料。原因之一是碳纤维受损当碳纤维短纤维的形式并入到一个包含粗骨料的混凝土。即使使用短切碳纤维,机械效应只是为了防止裂缝的发展已经发生。另一个原因是,碳纤维与水泥基体之间的结合还不够强大。为了提高力量,重要的是有良好的粘结碳纤维和水泥之间的矩阵。碳纤维表面涂一层环氧树脂。环氧树脂的层使得短切碳纤维容易滑出一个水泥矩阵。

4所示。电特性

4.1。四电极的实验设计方法

标本进行电气性能的大小是150毫米×150毫米×300毫米。每组用相同的混合比例3为电性质测试标本。的影响W/C和砂率对导电混凝土的电阻率相对于导电材料是非常有限的,复杂的。根据前面的研究和目标30 N / mm的抗压强度²,W/C和含砂量分别为30%和0.6,分别。碳纤维成交量从0.0到0.45%,尾矿内容从0到15%。

的选择和布置电极导电性能显著影响实验。有几种测试方法二电极等测量混凝土的电阻率法(13)和四电极方法(28]。外的二电极方法包括发布方法(石墨粘布或外粘铜电极)和嵌入式方法(嵌入式不锈钢钢板或钢网电极)。四电极方法嵌入四个不锈钢表或钢丝网混凝土内的电极平行。四电极方法可以消除接触电阻和被认为是一个合适的和可靠的方法来测试电阻率(31日]。四电极技术被选为本研究测量电阻率的标本。

电气原理图如图四电极的方法3(一个)在实验室中,电阻率测量如图3 (b)。四个平行钢丝网电极安装到标本作为电极,筛孔尺寸是25毫米×25毫米粗骨料如图3 (b)。电极之间的距离和边缘的模具范围从15毫米至20毫米,混凝土和电极的长度为30毫米。两个电极(C和D)标本的两面提供电流我_AB到系统,而其他两个电极(A和B)检测电压U_CD。电压之间的比率U_CD和当前我_AB可用于确定样品的电阻率。

4.2。结果分析

如图4,石墨尾矿的增加能明显降低样品的电阻率。电阻率的下降将会慢下来当碳纤维含量超过0.3%,如果石墨尾矿内容保持不变。在混凝土导电组件的添加,如碳纤维和石墨尾矿,可以显著提高混凝土的导电性,同时保持良好的机械性能。导电材料的增加促进了导电网络的形成,彼此重叠,混凝土电阻率降低。在混凝土中,电流是由电子或空穴导电网络基质屏障和隧道。随着导电组件的用量的增加一个临界值,导电网络扩大到一定范围内形成导电路径,从而降低导电混凝土的电阻率。当导电材料的用量超过阈值,降低的幅度显著减少虽然导电混凝土的电阻率继续下降(13]。

从经济观点,导电材料的最佳剂量应渗滤阈值的方法。因此,一个适当比例的碳纤维电阻率是0.3%,如果要求不是很高。得到更好的导电性,石墨尾矿可以添加更多的混凝土如果混凝土能满足强度的需求。本实验研究表明,尾矿的适当比例是10%好足够的力量。

可以将电阻率低于1 kΩ⋅厘米如表所示7,石墨尾矿混凝土可用于防冰或雪融化32]。如果电阻率很高,它不会产生热量。测量电阻率数据的回归分析表7进行预测混凝土的电阻率。检查两个变量,包括尾矿内容和碳纤维。W/C和含砂量保持不变,30%和0.6,分别。拟合方程如下所示: 在哪里电阻率(kΩ·厘米),是石墨尾矿含量(%),碳纤维含量(%)。

反三角函数是用来模拟电阻率的门槛效应。测量电阻率和电阻率估计的比较如表所示7和图5。的最大相对误差为7.16%。

预测与拟议中的关系与实验结果吻合得很好四电极测量的方法。拟合曲面是合理的和可接受的不仅实验分而且过渡地区。

5。结论

提出了石墨尾矿利用率的方法对导电混凝土,抗压强度和导电性的导电混凝土进行测试。石墨尾矿和碳纤维导电混凝土混合物显示了良好的导电性和足够的机械强度。从这项研究的一些结论如下:(1)石墨尾矿混凝土,它是更合理的砂率接近30%,抗压强度足够高具有良好的和易性。(2)抗压强度随石墨尾矿增加内容。尾矿含量为10%时,抗压强度并没有减少太多的目标强度因为抗压强度可以稍微提高了碳纤维。(3)石墨尾矿的增加能明显降低电阻率的标本。石墨尾矿混凝土可用于防冰或雪融化。从经济的观点,一个合适的百分比为碳纤维电阻率是0.3%,如果要求不是很高。(4)预测与拟议中的关系与实验结果吻合得很好四电极测量的方法。拟合曲面是合理的和可接受的不仅实验分而且过渡地区。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

成立赞助商没有参与这项研究的设计;在收集、分析或解释数据;写的手稿;并决定发表的结果。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51008094和51008094)和黑龙江省自然科学基金(批准号LC2017025)。