CN101486562B - 一种用作导电混凝土集料的陶粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用作导电混凝土集料的陶粒及其制备方法。一种用作导电混凝土集料的陶粒，其特征在于：它由粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3为原料烧制而成，各原料所占质量百分比为：粘土77～94％、铁粉3～10％、焦炭粉3～5％、Fe2O3 0～8％，各原料所占质量百分比之和为100％。一种用作导电混凝土集料的陶粒的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：1)原料预处理：将取自土壤的粘土烘干至水分含量≤5％，破碎后粉磨至粒径≤0.1mm的粉体；将市售的焦炭破碎后磨细成粒径≤0.1mm的粉体，得焦炭粉；2)原料的选取；3)胚体成型：加水搅拌，将拌好的物料用成球盘制成粒径为5mm～15mm圆球状的颗粒胚料；4)陶粒烧成，得用作导电混凝土集料的陶粒。该方法制备的陶粒作为集料用于混凝土中，能增强混凝土导电性能。

Description

一种用作导电混凝土集料的陶粒及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种用作导电混凝土集料的陶粒及其制备方法。
背景技术
目前，导电混凝土是在混凝土原有的组成基础上掺加适当的导电相组分，使混凝土材料在力-电、电-力等效应作用下具有一定的自感知、自适应和损伤自修复等功能，根据这些特性可以有效的预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，提高混凝土结构的安全性。或者能通过电-热效应来实现混凝土的加热，从而使其具有融雪除冰等功能。
以往在制备导电混凝土时加入的导电相材料，通常为碳纤维、碳粉、石墨粉等材料，将这些材料分布在混凝土的水泥石当中，形成导电网络，使混凝土导电。然而，一方面要使这些材料在水泥石中均匀分散有相当的困难，影响导电网络的均布性；另一方面，这些导电相材料形成的导电网络仅分布于水泥石相当中，而在单位体积混凝土当中水泥石相本身体积含量仅占30％左右，存在于集料堆聚形成的空隙之中。因而，形成的导电网络对于混凝土材料整体而言是不均布的，影响混凝土导电性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用作导电混凝土集料的陶粒及其制备方法，该方法制备的陶粒作为集料用于混凝土中，能增强混凝土导电性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用作导电混凝土集料的陶粒，其特征在于：它由粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3为原料烧制而成，各原料所占质量百分比为：粘土77～94％、铁粉3～10％、焦炭粉3～5％、Fe2O3 0～8％，各原料所占质量百分比之和为100％。
所述的粘土为取自土壤的粘土(普通粘土)烘干至水分含量≤5％(质量)，破碎后粉磨至粒径≤0.1mm的粉体。
所述的铁粉为市售工业铁粉，纯度≥98％(质量)，平均粒径为0.005～0.01mm。
所述的焦炭粉为市售工业产品焦炭破碎后磨细成粒径≤0.1mm的粉体(平均粒径为0.05mm～0.1mm)。
所述的Fe2O3为市售工业产品Fe2O3。
所述的Fe2O3所占质量百分比最佳为：1～7％。
上述一种用作导电混凝土集料的陶粒的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)原料预处理：将取自土壤的粘土(普通粘土)烘干至水分含量≤5％(质量)，破碎后粉磨至粒径≤0.1mm的粉体；将市售的焦炭破碎后磨细成粒径≤0.1mm的粉体，得焦炭粉；
2)原料的选取：按各原料所占质量百分比为：粘土77～94％、铁粉3～10％、焦炭粉3～5％、Fe2O3 0～8％，各原料所占质量百分比之和为100％，选取粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3为原料，备用；
3)胚体成型：将粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3在搅拌机中加水搅拌，加水量为粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3(干粉料)质量的20％～30％，将拌好的物料用成球盘制成粒径为5mm～15mm圆球状的颗粒胚料；
4)陶粒烧成：将颗粒胚料风干至含水率≤5％(质量)之后，送入还原气氛炉中进行煅烧，匀速升温至700℃～800℃，升温速率为5～10℃/分钟，保温10min～15min；再匀速升温至1150℃～1250℃，升温速率为5～10℃/分钟，保温10min～20min；在还原气氛下匀速冷却至室温(匀速冷却的速率为5～10℃/分钟)，得用作导电混凝土集料的陶粒(产品)。
所述的还原气氛是焦炭(添加在陶粒中的焦炭粉及外置在炉膛中的焦炭块)在高温下反应生成的CO气体。
将制得的陶粒，原状或破碎后作为集料全部或部分替代混凝土中的石或砂，与水泥、水，以及碳纤维、碳粉、石墨粉等导电相材料相配合，用以制备导电混凝土。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
1)烧制的陶粒具有导电性能，作为集料替代混凝土中石或砂后，可以作为导电相均匀分布在混凝土当中，与掺加在水泥石中的导电相材料如碳纤维、碳粉、石墨粉等一起形成连续性更好、分布更均匀导电网络，增强混凝土导电性能，可减少价格昂贵的碳纤维等导电相的用量。
2)陶粒的导电性能可以方便地通过调整原材料中金属铁和Fe2O3含量而进行改变；同时，还可以通过原材料和煅烧制度的控制实现对陶粒矿物相组成和比例、孔隙率等性能的控制，从而调整陶粒自身的强度、热传导性，以及配制的混凝土的强度和保温性能(用作融雪除冰导电混凝土时保温性能好可以减少热量损耗)。
3)粘土作用：烧制陶粒的基本材料，是陶粒最主要的组成部分，采用粘土具有成本低的特点。铁粉作用：作为导电相均匀分散于陶质基体材料当中。焦炭粉作用：在高温下与O2反应生成CO，一是保持陶粒内部在烧制时的还原气氛，二是CO本身可作为发气剂使陶粒内部形成气孔，控制其表观密度；三是未与O2反应完的焦炭粉也可存在于陶质基体材料当中作为一种导电相。Fe2O3作用：一是与焦炭、以及由焦炭反应产生的CO进行反应，产生CO2气体或CO气体，起到发泡剂作用；二是可降低烧成温度，使陶粒可在较低温度下烧成。
2Fe2O3+C-4FeO+CO2
2Fe2O3+3C-4Fe+3CO2
Fe2O3+C-2FeO+CO
Fe2O3+C-2FeO+3CO。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
一种用作导电混凝土集料的陶粒，它由粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3为原料烧制而成，各原料所占质量百分比为：粘土90％、铁粉5％、焦炭粉3％、Fe2O3 2％。
上述一种用作导电混凝土集料的陶粒的制备方法，它包括如下步骤：
1)原料预处理：将取自土壤的粘土(普通粘土)烘干至水分含量为4％(质量)，破碎后粉磨成细粉，过0.075mm筛；将市售的焦炭破碎后磨细，过0.075mm筛，得焦炭粉；
粘土的化学成分为 Si O 2 + Al 2 O 3 Fe 2 O 3 + RO + R 2 O + FeO = 6.8 ;
2)原料的选取：按各原料所占质量百分比为：粘土90％、铁粉5％、焦炭粉3％、Fe2O3 2％，选取粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3为原料，备用；
所述的铁粉为市售工业铁粉，纯度≥98％(质量)，平均粒径为0.005～0.01mm；所述的Fe2O3为市售工业产品Fe2O3；
3)胚体成型：将粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3在搅拌机中加水搅拌，加水量为粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3(干粉料)质量的22％，将拌好的物料用成球盘制成粒径为10mm圆球状的颗粒胚料；
4)陶粒烧成：将颗粒胚料风干至含水率为5％(质量)之后，送入还原气氛炉中进行煅烧(所述的还原气氛为CO气体)，匀速升温至700℃，升温速率为8℃/分钟，保温15min；再匀速升温至1200℃，升温速率为8℃/分钟，保温20min；在还原气氛下匀速冷却至室温(匀速冷却的速率为8℃/分钟)，得用作导电混凝土集料的陶粒(产品)。
将制得的陶粒，原状作为集料替代混凝土中的石子，与水泥、砂、水，以及石墨粉按表1中A1配合比相配合，制备得到导电混凝土。
表1  导电混凝土各组分配合比(kg/m3)
  序号   陶粒   石子   水泥   水   砂   石墨粉
  A1   800   0   420   150   750   35
  A2   0   1075   420   150   750   35
其中：水泥采用P.O42.5水泥，石子为5mm～10mm石灰石碎石，水为自来水，砂为细度模数2.8的河砂，石墨粉为市售工业石墨粉，碳含量≥98％。
与使用相同体积率石子作为粗集料的A2配合比导电混凝土相比，采用本发明的陶粒后导电性能提高(28d龄期测试值)(见表2)。
表2  不同配合比导电混凝土导电性能
  序号   电阻率(Ω.cm)
  A1   250
  A2   38700
实施例2：
一种用作导电混凝土集料的陶粒，它由粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3为原料烧制而成，各原料所占质量百分比为：粘土84％、铁粉7％、焦炭粉4％、Fe2O3 5％。
上述一种用作导电混凝土集料的陶粒的制备方法，它包括如下步骤：
1)原料预处理：将取自土壤的粘土(普通粘土)烘干至水分含量为5％(质量)，破碎后粉磨成细粉，过0.075mm筛；
粘土的化学成分为 Si O 2 + Al 2 O 3 Fe 2 O 3 + RO + R 2 O + FeO = 6.0 ,
2)原料的选取：按各原料所占质量百分比为：粘土84％、铁粉7％、焦炭粉4％、Fe2O3 5％，选取粘土、铁粉和Fe2O3为原料，备用；
所述的铁粉为市售工业铁粉，纯度≥98％(质量)，平均粒径为0.005～0.01mm；所述的Fe2O3为市售工业产品Fe2O3；
3)胚体成型：将粘土、铁粉和Fe2O3在搅拌机中加水搅拌，加水量为粘土、铁粉和Fe2O3(干粉料)质量的25％，将拌好的物料用成球盘制成粒径为15mm圆球状的颗粒胚料；
4)陶粒烧成：将颗粒胚料风干至含水率为4％(质量)之后，送入还原气氛炉中进行煅烧(所述的还原气氛为CO气体)，匀速升温至750℃，升温速率为7℃/分钟，保温10min；再匀速升温至1250℃，升温速率为7℃/分钟，保温15min；在还原气氛下匀速冷却至室温(匀速冷却的速率为7℃/分钟)，得用作导电混凝土集料的陶粒(产品)。
将制得的陶粒，原状作为粗集料替代混凝土中的石子，破碎成0mm～4.75mm后作为细集料替代混凝土中的砂，与水泥、水，以及碳纤维按表3中B1配合比相配合，制备得到导电混凝土。
表3  导电混凝土各组分配合比(kg/m3)
  序号   陶粒   石子   水泥   砂   水   碳纤维
  B1   700   0   450   780   158   20
  B2   0   1040   450   780   158   20
其中：水泥采用P.O42.5水泥，石子为5mm～10mm石灰石碎石，水为自来水，砂为细度模数2.8的河砂，碳纤维为市售短切聚丙烯腈基碳纤维。
与使用相同体积率石子作为粗集料的B2配合比导电混凝土相比，采用本发明的陶粒后导电性能提高(见表4)。
表4  不同配合比导电混凝土导电性能
  序号   电阻率(Ω.cm)
  B1   115
  B2   3680
实施例3：
一种用作导电混凝土集料的陶粒的制备方法，它包括如下步骤：
1)原料预处理：将取自土壤的粘土(普通粘土)烘干至水分含量为3％(质量)，破碎后粉磨至粒径≤0.1mm的粉体；将市售的焦炭破碎后磨细成粒径≤0.1mm的粉体，得焦炭粉；
2)原料的选取：按各原料所占质量百分比为：粘土77％、铁粉10％、焦炭粉5％、Fe2O3 8％，选取粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3为原料，备用；
所述的铁粉为市售工业铁粉，纯度≥98％(质量)，平均粒径为0.005～0.01mm；所述的Fe2O3为市售工业产品Fe2O3；
3)胚体成型：将粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3在搅拌机中加水搅拌，加水量为粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3(干粉料)质量的20％％，将拌好的物料用成球盘制成粒径为5mmmm圆球状的颗粒胚料；
4)陶粒烧成：将颗粒胚料风干至含水率为3％(质量)之后，送入还原气氛炉中进行煅烧(所述的还原气氛为CO气体)，匀速升温至700℃℃，升温速率为5℃/分钟，保温10min；再匀速升温至1150℃，升温速率为5℃/分钟，保温10min；在还原气氛下匀速冷却至室温(匀速冷却的速率为5℃/分钟)，得用作导电混凝土集料的陶粒(产品)。
将制得的陶粒，原状或破碎后作为集料全部或部分替代混凝土中的石或砂，与水泥、水，以及碳纤维、碳粉、石墨粉等导电相材料相配合，用以制备导电混凝土。
实施例4：
一种用作导电混凝土集料的陶粒的制备方法，它包括如下步骤：
1)原料预处理：将取自土壤的粘土(普通粘土)烘干至水分含量为2％(质量)，破碎后粉磨至粒径≤0.1mm的粉体；将市售的焦炭破碎后磨细成粒径≤0.1mm的粉体，得焦炭粉；
2)原料的选取：按各原料所占质量百分比为：粘土94％、铁粉3％、焦炭粉3％，选取粘土、铁粉和焦炭粉为原料，备用；
所述的铁粉为市售工业铁粉，纯度≥98％(质量)，平均粒径为0.005～0.01mm；
3)胚体成型：将粘土、铁粉和焦炭粉在搅拌机中加水搅拌，加水量为粘土、铁粉和焦炭粉(干粉料)质量的30％，将拌好的物料用成球盘制成粒径为15mm圆球状的颗粒胚料；
4)陶粒烧成：将颗粒胚料风干至含水率为2％(质量)之后，送入还原气氛炉中进行煅烧(所述的还原气氛为CO气体)，匀速升温至800℃，升温速率为10℃/分钟，保温15min；再匀速升温至1250℃，升温速率为10℃/分钟，保温20min；在还原气氛下匀速冷却至室温(匀速冷却的速率为10℃/分钟)，得用作导电混凝土集料的陶粒(产品)。
将制得的陶粒，原状或破碎后作为集料全部或部分替代混凝土中的石或砂，与水泥、水，以及碳纤维、碳粉、石墨粉等导电相材料相配合，用以制备导电混凝土。
本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，本发明的工艺参数(如温度、时间等)的上下限取值以及区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims (6)

1.一种用作导电混凝土集料的陶粒，其特征在于：它由粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3为原料烧制而成，各原料所占质量百分比为：粘土77～94％、铁粉3～10％、焦炭粉3～5％、Fe2O30～8％，各原料所占质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的一种用作导电混凝土集料的陶粒，其特征在于：所述的粘土为取自土壤的粘土烘干至水分含量≤5％，破碎后粉磨至粒径≤0.1mm的粉体。
3.根据权利要求1所述的一种用作导电混凝土集料的陶粒，其特征在于：所述的铁粉为市售工业铁粉，纯度≥98％，平均粒径为0.005～0.01mm。
4.根据权利要求1所述的一种用作导电混凝土集料的陶粒，其特征在于：所述的焦炭粉为市售工业产品焦炭破碎后磨细成粒径≤0.1mm的粉体。
5.根据权利要求1所述的一种用作导电混凝土集料的陶粒，其特征在于：所述的Fe2O3为市售工业产品Fe2O3。
6.如权利要求1所述的一种用作导电混凝土集料的陶粒的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)原料预处理：将取自土壤的粘土烘干至水分含量≤5％，破碎后粉磨至粒径≤0.1mm的粉体；将市售的焦炭破碎后磨细成粒径≤0.1mm的粉体，得焦炭粉；
2)原料的选取：按各原料所占质量百分比为：粘土77～94％、铁粉3～10％、焦炭粉3～5％、Fe2O30～8％，各原料所占质量百分比之和为100％，选取粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3为原料，备用；
3)胚体成型：将粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3在搅拌机中加水搅拌，加水量为粘土、铁粉、焦炭粉和Fe2O3质量的20％～30％，将拌好的物料用成球盘制成粒径为5mm～15mm圆球状的颗粒胚料；
4)陶粒烧成：将颗粒胚料风干至含水率≤5％之后，送入还原气氛炉中进行煅烧，匀速升温至700℃～800℃，升温速率为5～10℃/分钟，保温10min～15min；再匀速升温至1150℃～1250℃，升温速率为5～10℃/分钟，保温10min～20min；在还原气氛下冷却至室温，得用作导电混凝土集料的陶粒。
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