CN102444070B - 双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土 - Google Patents
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Abstract
一种双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土，它由贯穿布置于水泥混凝土相对两边的两个带孔不锈钢电极片，自下而上依次铺设的底层基体水泥混凝土层、底层不锈钢纤维层、中间基体水泥混凝土层、顶层不锈钢纤维层和表层基体水泥混凝土层构成。其制备是先将两个带孔不锈钢电极片贯穿布置于混凝土的相对两边，然后自下而上依次铺设底层基体混凝土、撒布底层不锈钢纤维、浇筑中间基体混凝土层、撒布顶层不锈钢纤维、铺设表层基体混凝土；基体混凝土层掺有导电材料不锈钢纤维或石墨；不锈钢纤维均匀铺设，撒布量为1.4kg/m2～2.4kg/m2。本混凝土电阻率低，导热性能优异，抗压强度高，造价低，可用于混凝土路面、桥面、机场跑道的融雪化冰、采暖、防静电和电力设备接地领域。
Description
技术领域
本发明涉及导电水泥混凝土技术领域，特别是涉及一种双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土。
背景技术
水泥混凝土路面具有强度高、稳定性好、抗滑性能好、耐磨耗、使用寿命长等优点，因而在世界各国得到了广泛的应用。我国公路、城市道路、和机场大量修建了水泥混凝土路面。这些基础设施的建设和正常运营，对整个国民经济的发展起着不可估量的作用。在寒冷的冬季，当水泥混凝土路面因降雪而积雪结冰时，给道路畅通和行车安全带来了严重的影响，甚至造成道路和机场关闭，给客货运输带来不便，也给建设单位造成巨大的经济损失。
冬季除冰雪的方法主要有两种：机械除雪法和融雪法。机械除雪法对冰面清除不彻底、经济效益较差，还会导致交通中断；热融雪法普遍具有效率低、操作费用高或不能满足桥面强度需要等缺点，而目前世界各国主要采用的撤化学盐(NaCl，CaCl2)融雪法会给水泥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。
导电水泥混凝土是通过在普通水泥混凝土中添加适当种类和适当含量的导电组分材料，使水泥混凝土变成具有良好导电性能的导电体。当与外部电源连通后，导电水泥混凝土产生热量，使路面温度升高。当路面温度上升到0℃以上后，路面上的冰雪就会自动融化成水蒸发、流走，使路面无积雪、不结冰，从而保障道路畅通和行车安全。目前，世界各个国家都在对导电混凝土进行广泛的研究，研制了许多种导电混凝土。导电混凝土大体上分为三类，无机类(如导电水泥混凝土和水玻璃导电混凝土)，有机类(如沥青导电混凝土和树脂导电混凝土)和复合类(如聚合物导电混凝土和浸渍导电混凝土)。
国内外常用于制作导电混凝土的导电组分材料主要有石墨粉、碳纤维及钢纤维等。石墨导电混凝土中，由于粉末状石墨长径比小，混凝土内难以形成连通的导电网络，往往需要较高含量，石墨掺量一般为水泥质量的20％左右，掺量较高，并且这种混凝土的抗压强度随石墨掺量的增加呈急剧下降趋势；钢纤维在水泥碱性环境中，表面产生氧化钝化层，使导电混凝土的电阻率稳定性差；碳纤维细小，彼此搭接的接触面较小，需要加大掺量才能改善混凝土导电性能，而过高的碳纤维含量将使纤维在搅拌时结团成束，难以分散，并且碳纤维价格昂贵，使导电混凝土造价远远高于普通混凝土，制约了导电混凝土的发展。
发明内容
本发明的目的是针对现有导电水泥混凝土技术的不足，提供一种电阻率低、电热性能优异、造价低的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土，该导电水泥混凝土由贯穿布置于水泥混凝土相对两边的两个带孔不锈钢电极片，自下而上依次铺设的底层基体水泥混凝土层、底层不锈钢纤维层、中间基体水泥混凝土层、顶层不锈钢纤维层和表层基体水泥混凝土层构成。
本发明的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土中，所述的带孔不锈钢电极片所带孔径为20mm～30mm，孔间距20mm。
本发明的的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土中，其底层基体混凝土层厚度为20mm，中间基体混凝土层厚度20mm～60mm，表层基体混凝土层厚度为20mm。
本发明的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土中，其底层基体混凝土层、中间基体混凝土层和表层基体混凝土层内掺有导电材料，所述的导电材料为不锈钢纤维或石墨。所述的内掺的导电材料为不锈钢纤维时，其体积掺量占导电混凝土体积的百分比为0.5％～1.5％；所述的内掺的导电材料为石墨时，其质量掺量占胶凝材料的百分比为5％～15％。
本发明的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土中，所述的底层不锈钢纤维层与顶层不锈钢纤维层中不锈钢纤维均匀铺设，撒布量为1.4kg/m2～2.4kg/m2。所述的不锈钢纤维单丝直径为100μm～200μm，长径比125～250。
本发明的一种双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土的制造方法，其特征在于：先将两个带孔不锈钢电极片贯穿布置于水泥混凝土的相对两边，然后自下而上依次铺设底层基体水泥混凝土层，撒布底层不锈钢纤维层的不锈钢纤维，浇筑中间基体水泥混凝土层，撒布顶层不锈钢纤维层的不锈钢纤维，铺设表层基体水泥混凝土；不锈钢纤维采用撒布的方法均匀铺设，撒布量为1.4kg/m2～2.4kg/m2；基体水泥混凝土层内掺导电材料不锈钢纤维或石墨，内掺为不锈钢纤维时，其体积掺量占导电混凝土体积的百分比为0.5％～1.5％，内掺石墨时，其质量掺量占胶凝材料的百分比为5％～15％。
本发明的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土，由于其采用复合材料(铺层不锈钢纤维和掺有导电材料的基体水泥混凝土)结构设计的方法，导电机理是：体系的导电能力主要由顶层不锈钢纤维铺层与底层不锈钢纤维铺层的不锈钢纤维相互搭接形成的导电网络而提供，但铺层的不锈钢纤维间只能形成部分连续的局部导电网络，当基体水泥混凝土中未掺加导电集料时体系其电阻率较高；在基体水泥混凝土中加入导电集料(不锈钢纤维或石墨)后，这些导电材料在部分连续的铺层不锈钢纤维间形成了局部的“桥梁”，将铺层不锈钢纤维间形成的局部导电网络连接成为连续贯通的导电链，此时导电通路形成，电阻率明显降低；基体水泥混凝土中导电材料之间通过搭接也形成大量的局部导电网络，为体系提供一定的导电能力。
本发明与现有技术相比具有如下主要的突出效果：
1.通过复合材料(铺层不锈钢纤维和掺有导电材料的基体水泥混凝土)结构设计，铺层不锈钢纤维提供大量导电网络，基体水泥混凝土中的导电材料使这些导电网络彼此连接，形成连续的导电网络，导电通路形成，电阻率明显降低，用较少的导电材料得到导电性能好、电阻率稳定、电热性能优异的导电水泥混凝土。
2.使用不锈钢纤维来代替常规的钢纤维，解决了由于钢纤维在水泥混凝土碱性环境中的钝化引起的电阻率随龄期稳定性差的问题。
3.底层、顶层不锈钢纤维双铺层设计，使水泥混凝土在获得良好导电性能的同时，力学性能也得到了增强。
4.制作工艺简单，质量易于控制，造价较低，便于推广应用。
本发明提供的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土可应用于水泥混凝土路面、桥面、机场跑道的融雪化冰、电热采暖、工业防静电、电力设备接地工程等领域，是经济适用的导电混凝土材料。
附图说明
图1是本发明的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土路面的结构示意图
图2是本发明的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土的导电模型图
图3是基体混凝土掺加不锈钢纤维时试块电阻率随龄期的变化曲线图
图4是基体混凝土掺加不锈钢纤维时试块的升温曲线图
图5是基体混凝土掺加石墨时试块电阻率随龄期的变化曲线图
图6是基体混凝土掺加石墨时试块的升温曲线图
图7是基体混凝土不掺加导电材料时试块电阻率随龄期的变化曲线图
图中：1-带孔不锈钢电极片，2-底层基体水泥混凝土层，3-底层不锈钢纤维层，4-中间基体水泥混凝土层，5-顶层不锈钢纤维层，6-表层基体水泥混凝土层，7-铺层不锈钢纤维，8-导电集料。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图，进一步说明本发明。
实施例采用PI 52.5水泥、细度模数为2.30的中砂、5～16mm级配碎石，原料及其配比(单位kg/m3)如下表：
使用的模具尺寸为长×宽×高＝250mm×250mm×60mm，不锈钢电极片的孔径为25mm，不锈钢纤维单丝直径为200μm，长径比125，底层水泥混凝土厚度为20mm，中间基体混凝土层厚度20mm，表层基体混凝土厚度为20mm，底层不锈钢纤维与顶层不锈钢纤维铺层的纤维铺撒量2.4kg/m2，双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土结构示意图如图1所不。
所述的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土，其制备步骤包括：
1)在模具的相对两边、距离边缘25mm处安装带孔不锈钢电极片1，可以使基体水泥混凝土在电极片的两边连通，保证导电混凝土与电极之间的紧密结合，以减小接触电阻；
2)铺筑底层基体水泥混凝土2，厚度为20mm；
3)将底层不锈钢纤维3采用撒布的方式均匀铺设在底层基体水泥混凝土的表面，撒布量为1.4kg/m2～2.4kg/m2；
4)浇筑中间基体水泥混凝土层4，厚度为20mm～60mm，插入振捣、平板振平；
5)将顶层不锈钢纤维5采用撒布的方式均匀铺设在中间基体水泥混凝土层的表面，撒布量与底层不锈钢纤维用量相同，为1.4kg/m2～2.4kg/m2；
6)铺设表层基体水泥混凝土6，厚度为20mm，平板振捣、抹平收浆、养护。
实施例1
基体混凝土掺有导电材料为不锈钢纤维，其体积掺量占导电混凝土体积的百分比为0.5％。试件成型后进行标准养护，并测试相应龄期的电阻率直至其达到稳定，待电阻率稳定后进行升温试验。
如图3所示，本实施例1的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土的电阻率随着时间呈先增大再减小的趋势，42天后稳定在0.93Ω·m左右；待电阻率稳定后将电极两端连接16V电压，试块的温度随时间的升温曲线如图4，试块表面温度随时间逐渐升高，在通电150min后，试块表面温度从30℃升至49.5℃，平均升温速率为7.8℃/h，效果明显。
实施例2
基体混凝土掺有导电材料为石墨，其质量掺量占导电混凝土(胶凝材料)的百分比为10％。试件成型后进行标准养护，并测试相应龄期的电阻率直至其达到稳定，待电阻率稳定后进行升温试验。
如图5所示，本实施例2的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土的电阻率随着时间呈先增大再减小的趋势，42天后稳定在0.50Ω·m左右；待电阻率稳定后将电极两端连接12V电压，试块的温度随时间的升温曲线如图6，试块表面温度随时间逐渐升高，在通电150min后，试块表面温度从30℃升至57.2℃，平均升温速率为10.9℃/h，效果明显。
实施例3
基体水泥混凝土中不掺加任何导电材料。
如图7所示，实施例3的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土的电阻率随时间一直呈增大的趋势，42天电阻率为207Ω·m，同龄期电阻率远远高于实施例1中基体混凝土中掺加不锈钢纤维与实施例2中基体混凝土中掺加石墨的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土的电阻率。
分析如下：
实施例3基体水泥混凝土中没有掺加导电材料，体系的导电能力主要由顶层不锈钢纤维铺层与底层不锈钢纤维铺层的不锈钢纤维相互搭接形成的导电网络而提供，但铺层的不锈钢纤维间只能形成部分连续的局部导电网络，电阻率较高；当实施例1基体水泥混凝土中掺加导电集料不锈钢纤维、实施例2基体水泥混凝土中掺加导电材料石墨后，这些导电材料在部分连续的铺层不锈钢纤维间形成了局部的“桥梁”，将铺层不锈钢纤维间形成的局部导电网络连接成为连续贯通的导电链，此时导电通路形成，电阻率明显降低；基体水泥混凝土中导电材料之间通过搭接也形成大量的局部导电网络，为体系提供一定的导电能力；同时导电材料的掺加也提高了导电水泥混凝土的导热性能。
Claims (8)
1.一种双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土，其特征在于：该导电水泥混凝土由贯穿布置于水泥混凝土相对两边的两个带孔不锈钢电极片（1），自下而上依次铺设的底层基体水泥混凝土层（2）、底层不锈钢纤维层（3）、中间基体水泥混凝土层（4）、顶层不锈钢纤维层（5）和表层基体水泥混凝土层（6）构成；所述的带孔不锈钢电极片（1）所带孔径为20mm～30mm，孔间距20mm。
2.根据权利要求1所述的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土，其特征在于：底层基体水泥混凝土层（2）厚度为20mm，中间基体水泥混凝土层（4）厚度20mm～60mm，表层基体水泥混凝土层（6）厚度为20mm。
3.根据权利要求1或2所述的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土，其特征在于：所述的底层基体水泥混凝土层（2）、中间基体水泥混凝土层（4）和表层基体水泥混凝土层（6）内掺有导电材料，所述的导电材料为不锈钢纤维或石墨。
4.根据权利要求3所述的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土，其特征在于：所述的内掺的导电材料为不锈钢纤维时，其体积掺量占导电混凝土体积的百分比为0.5%～1.5%。
5.根据权利要求3所述的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土，其特征在于：所述的内掺的导电材料为石墨时，其质量掺量占胶凝材料的百分比为5%～15%。
6.根据权利要求1所述的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土，其特征在于：所述的底层不锈钢纤维层（3）与顶层不锈钢纤维层（5）中不锈钢纤维均匀铺设，撒布量为1.4kg/m2～2.4kg/ m2。
7.根据权利要求1或6所述的双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土，其特征在于：所述的不锈钢纤维单丝直径为100μm～200μm，长径比125～250。
8.一种双铺层不锈钢纤维导电水泥混凝土的制造方法，其特征在于：先将两个带孔不锈钢电极片（1）贯穿布置于水泥混凝土的相对两边，然后自下而上依次铺设底层基体水泥混凝土层（2），撒布底层不锈钢纤维层（3）的不锈钢纤维，浇筑中间基体水泥混凝土层（4），撒布顶层不锈钢纤维层（5）的不锈钢纤维，铺设表层基体水泥混凝土层（6）；不锈钢纤维采用撒布的方法均匀铺设，撒布量为1.4kg/m2～2.4kg/m2；基体水泥混凝土层内掺导电材料不锈钢纤维或石墨，内掺为不锈钢纤维时，其体积掺量占导电混凝土体积的百分比为0.5%～1.5%，内掺石墨时，其质量掺量占胶凝材料的百分比为5%～15%。
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