CN106495607A - 一种导电混凝土及其制作方法和应用 - Google Patents

一种导电混凝土及其制作方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属接地系统领域，具体涉及一种导电混凝土及其制作方法和应用。所述混凝土包括以下按重量份计的以下组分：碳纤维6~9份，钢纤维43~50份，石墨68~78份，分散剂1.38~1.58份，防腐剂10~15份，减水剂5.2~6份。本发明克服部分地区使用普通接地方法难以达到接地电阻值要求、或由于地势地形限制导致普通接地系统施工难度大的问题，有效地降低施工难度，提高接地效率，具有良好的可操作性。

Description

一种导电混凝土及其制作方法和应用
技术领域
本发明属接地系统领域，具体涉及一种导电混凝土及其制作方法和应用。
背景技术
在高雷暴地区，风电场因雷击线路导致线路跳闸检修，从经济及安全角度来说都造成了极大的损失，目前，风电场集电线路接地普遍采用敷设水平接地体及锤子接地体相结合的方式达到降阻效果，针对目前施工状况普遍存在以下问题，一是，接地体的保持状况，无法满足永久性要求，即40年；二是，在土壤高电阻率地区，地表岩石较多，接地沟开挖施工困难地区；三是，近年来接地沟施工，占用林地，常规土地较多，四是，接地沟施工过程中，有些接地沟穿越农田、山地、林地等，施工完成后人们在日常生产中，容易对接地装置进行破坏，对线路的运行造成很大的安全隐患。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种导电混凝土及其制作方法和应用。能到达降阻效果，在结构及电气降阻均满足要求的情况下，则之前的问题都能够得到有效的解决。使用导电混凝土的立体接地系统作为线路接地体，既是在常规混泥土中参加石墨、碳纤维、钢纤维等特殊材料，使线路基础具有导电性，作为垂直接地体使用。
在常规混凝土制备中，通过用导电性的骨料部分替代砂石等非导电性骨料，使制成的混凝土不仅具有良好的导电性，并且保证常规混凝土的可浇注、抗压性。
导电混凝土电阻率极低，经测算电阻率一般仅为0.1～0.5Ω·m，把它包在接地体的周围，就相当于把电极尺寸扩大，使接地电阻降低。同时在接地周围使用导电混凝土,敷设时导电混凝土会向四周土壤有一定范围的树枝状渗透作用，减小接触电阻使局部的电阻率大大降低,也相当于进一步扩大电极尺寸，使接地电阻下降。
单根垂直接地体的电阻计算由电力行业标准DL/T621-1997推荐公式：
式中，RV为垂直接地极的接地电阻，ρ为土壤电阻率，l为垂直接地体长度，d为垂直接地体等效半径。
由于导电混凝土的电阻率远远小于原土壤电阻率，可以得出裹有导电混凝土的垂直接地体电阻远小于原电阻值。可见，运用导电混凝土的实质就是增大接地体的等效半径。
立体接地
立体接地装置均由简单人工接地体组合而成。目前工程设计上使用较多的计算电阻的方法是利用系数法，其要点是先计算出单个接地体的电阻，然后计算并联电阻值，最后在添加一个反映接地体之间屏蔽效应的利用系数，即得出综合的工频电阻值。这样可以理论计算出任何一复杂接地体的工频接地电阻，保证设计的人工接地体使铁塔满足规程要求的接地电阻值。
通常在我们在获取地质资料后，根据上述方法，设计出工频电阻达标的接地装置，并适当留有裕度。在《电力工程高压送电线路设计手册》推荐的利用系数下，结合多年设计经验，总结与反算出了较为合理的接地体间利用系数。
按电力行业标准DL/T621-1997推荐的公式，多根垂直接地体组成的接地装置电阻计算按：
式中，n为垂直接地体数量，ηc为多根垂直接地体间利用系数。
水平接地体的电阻计算按电力行业标准DL/T621-1997推荐的公式计算：
式中，Rs为水平接地体综合电阻，L为水平接地体总长度,h为水平接地体埋深，d为接地圆钢等效半径，A为水平接地体形状系数，形状系数按经验公式取1.76。
最后综合计算出复合接地装置的工频电阻。
式中，η为垂直接地体与水平接地体间的利用系数。根据设计经验，垂直接地体尽量设置于水平接地体外延，利用系数η较大。
本发明所采用的技术方案是：
一种导电混凝土，所述混凝土包括以下按重量份计的以下组分：
碳纤维6～9份，钢纤维43～50份，石墨68～78份，分散剂1.38～1.58份，防腐剂10～15份，减水剂5.2～6份。
优选地，所述混凝土包括以下按重量份计的以下组分：
碳纤维8份，钢纤维46份，石墨72份，分散剂1.47份，防腐剂12份，减水剂5.88份。
优选地，所述石墨固定含碳量大于99％；
所述碳纤维为聚丙烯腈短切碳纤维，碳纤维密度为1800kg/m3，纤维长度6mm，抗拉强度在3.5～4.5Gpa，含碳量≥93％，堆积密度≥300g/L，水量<0.3％；
所述钢纤维抗拉强度》2800Mpa，密度为7800kg/m3的镀铜微丝型钢纤维；
所述分散剂为甲基纤维素。
优选地，所述混凝土中的细骨料为粒径＜5mm的河砂，粗骨料为粒径≤25mm的碎石；所述混凝土中的水泥采用P·Ⅱ42.5级普通硅酸盐水泥。
一种导电混凝土的制作方法，所述方法包括以下步骤：
1)碎石、沙、钢纤维、水泥和石墨依次加入到搅拌机内，先进行干拌，得到物料1；
2)水、减水剂、分散剂混合，搅拌，边搅拌边加入碳纤维，得到物料2；
3)物料1和物料2搅拌，加入防腐剂，成型；
完成导电混凝土的制作。
优选地，所述步骤1)干拌时间不少于1min。
优选地，所述步骤2)水温度为40～60℃。
优选地，所述步骤3)搅拌时间为2～3min。
所述导电混凝土或权所述的方法在立体接地中的应用，在水平接地射线外延设置若干个钻孔，钻孔内插入热镀锌处理后的垂直接地体钢管，钢管与水平接地射线圆钢通过一块连接板放热焊接，再在钻孔内压力灌注导电混凝土，形成运用导电混凝土技术的复合接地装置。
所述导电混凝土或权所述的方法在立体接地中的应用，高压铁塔塔腿采用灌注导电混凝土来达到接地作用
本发明有益效果：
1、为解决部分地区基础接地降阻困难的问题，制备了利用石墨为主导电材料，碳纤维为搭接导电互通网络的桥梁，钢纤维兼顾混凝土强度与搭接导电桥梁的三相复合导电混凝土。
2、本发明设计立体式接地体，改进了水平四角射线的人工接地体，增设垂直接地体，分析了增设垂直接地体的数量、长度及安装位置，并配合使用导电混凝土，以达到方便施工，降低接地电阻优良的效果。
3、石墨是主导电添加材料，导电性能效果较好。分散剂为使导电材料均匀分布于混凝土中。减水剂保证混凝土流动性。
4、本发明的混凝土可以用于灌注高压铁塔塔腿，不需要进行接地处理，大大节约了物质和人力成本。
5、本发明主要用于集电线路等混凝土基础的接地系统。克服了部分地区使用普通接地方法难以达到接地电阻值要求、或由于地势地形限制导致普通接地系统施工难度大的问题。该发明主要利用了导电混凝土作为接地辅助材料。导电混凝土的配备以及使用导电混凝土结合立体接地的施工方法应用于基础接地极能有效地降低施工难度，提高接地效率，具有良好的可操作性。
附图说明
图1单根垂直接地体外包有导电混凝土的情况示意图；
图2接地体平面布置图；
图中：1为垂直接地体，2为导电混凝土，3为原大地土壤，r为垂直接地体半径，r1为垂直接地钻孔半径，4为水平接地体，5为铁塔塔腿。
具体实施方式
下面结合实施案例及附图来进一步说明本发明，但实施案例不会构成对本发明的限制。
实施例1
一种导电混凝土，所述混凝土包括以下按重量份计的以下组分：
碳纤维6份，钢纤维43份，石墨68份，分散剂1.38份，防腐剂10份，减水剂5.2份。
优选地，所述石墨固定含碳量大于99％；
所述碳纤维为聚丙烯腈短切碳纤维，碳纤维密度为1800kg/m3，纤维长度6mm，抗拉强度在3.5Gpa，含碳量95％，堆积密度350g/L，水量0.2％；
所述钢纤维抗拉强度2900Mpa，密度为7800kg/m3的镀铜微丝型钢纤维；
所述分散剂为甲基纤维素。
所述混凝土中的细骨料为粒径＜5mm的河砂，粗骨料为粒径≤25mm的碎石；所述混凝土中的水泥采用P·Ⅱ42.5级普通硅酸盐水泥。
一种导电混凝土的制作方法，所述方法包括以下步骤：
1)碎石、沙、钢纤维、水泥和石墨依次加入到搅拌机内，先进行干拌，得到物料1；
2)水、减水剂、分散剂混合，搅拌，边搅拌边加入碳纤维，得到物料2；
3)物料1和物料2搅拌，加入防腐剂，成型；
完成导电混凝土的制作。
优选地，所述步骤1)干拌时间3min。
优选地，所述步骤2)水温度为40℃。
优选地，所述步骤3)搅拌时间为2min。
所述导电混凝土或权所述的方法在立体接地中的应用，在水平接地射线外延设置8个直径为200mm钻孔，钻孔内插入热镀锌处理后的垂直接地体钢管，钢管与水平接地射线圆钢通过一块连接板放热焊接，再在钻孔内压力灌注导电混凝土，形成运用导电混凝土技术的复合接地装置。
垂直接地体设置于水平接地体外延的泄流效果好，同时根据《交流电气装置的接地设计规范》，垂直接地体之间的距离应大于垂直接地体的长度的两倍，因此钻孔分别设置于射线最外端及靠近正方形四角7米处。钻孔内插入热镀锌处理后的垂直接地体(钢管)，钢管与水平射线圆钢通过一块连接板放热焊接，再在孔内压力灌注导电混凝土，形成运用导电混凝土技术的复合接地装置。
实施例2
一种导电混凝土，所述混凝土包括以下按重量份计的以下组分：
碳纤维9份，钢纤维50份，石墨78份，分散剂1.58份，膨胀防腐剂15份，减水剂6份。
优选地，所述石墨固定含碳量大于99％；
所述碳纤维为聚丙烯腈短切碳纤维，碳纤维密度为1800kg/m3，纤维长度6mm，抗拉强度在4.5Gpa，含碳量93％，堆积密度300g/L，水量0.25％；
所述钢纤维抗拉强度2900Mpa，密度为7800kg/m3的镀铜微丝型钢纤维；
所述分散剂为甲基纤维素。
优选地，所述混凝土中的细骨料为粒径＜5mm的河砂，粗骨料为粒径≤25mm的碎石；所述混凝土中的水泥采用P·Ⅱ42.5级普通硅酸盐水泥。
一种导电混凝土的制作方法，所述方法包括以下步骤：
1)碎石、沙、钢纤维、水泥和石墨依次加入到搅拌机内，先进行干拌，得到物料1；
2)水、减水剂、分散剂混合，搅拌，边搅拌边加入碳纤维，得到物料2；
3)物料1和物料2搅拌，加入防腐剂，成型；
完成导电混凝土的制作。
优选地，所述步骤1)干拌时间3min。
优选地，所述步骤2)水温度为60℃。
优选地，所述步骤3)搅拌时间为3min。
所述导电混凝土或权所述的方法在立体接地中的应用，高压铁塔塔腿直接采用本实施例混凝土灌注，并取消其他接地设置。
实施例3
一种导电混凝土，所述混凝土包括以下按重量份计的以下组分：
碳纤维8份，钢纤维46份，石墨72份，分散剂1.47份，防腐剂12份，减水剂5.88份。
所述石墨固定含碳量大于99％；
所述碳纤维为聚丙烯腈短切碳纤维，碳纤维密度为1800kg/m3，纤维长度6mm，抗拉强度在3.5～4.5Gpa，含碳量≥93％，堆积密度≥300g/L，水量<0.3％；
所述钢纤维直径0.2mm，长度为6mm，抗拉强度》2800Mpa，密度为7800kg/m3的镀铜微丝型钢纤维；
所述分散剂为甲基纤维素。
所述高效减水剂保证混凝土流动性，采用江苏博特新材料有限公司生产的 聚羧酸高性能、可减水20％的聚羧酸系高性能减水剂。
所述防腐剂选用信长电力科技有限公司生产的GPF-94高效膨润土降阻防腐剂。
所述混凝土中的细骨料为粒径＜5mm的河砂，粗骨料为粒径≤25mm的碎石；所述混凝土中的水泥采用P·Ⅱ42.5级普通硅酸盐水泥。
一种导电混凝土的制作方法，所述方法包括以下步骤：
1)碎石、沙、钢纤维、水泥和石墨依次加入到搅拌机内，先进行干拌，得到物料1；
2)水、减水剂、分散剂混合，搅拌，边搅拌边加入碳纤维，得到物料2；
3)物料1和物料2搅拌，加入防腐剂，成型；
完成导电混凝土的制作。
优选地，所述步骤1)干拌时间2min。
优选地，所述步骤2)水温度为50℃。
优选地，所述步骤3)搅拌时间为2.5min。
本实施例在立体接地中的应用：
1、布置水平接地体
水平接地体的布置不做特殊要求。对接地体(网)的线路进行测量弹线，按照施工图要求的长度与深度，在此线路上挖掘深为0.8m，宽为0.5m的沟，沟上部稍宽，底部如有石子应清除。
2、布置垂直接地体
按照设计要求，在指定位置用垂直钻机钻直径不小于250mm，深度为6m左右的钻孔。将不短于6m的钢管插入钻孔内，钢管上端需露出孔口。使用导电混泥土垂直接体地极试验数据见表1，由表1可知采用水平与垂直复合接地达到接地电阻值要求，连接垂直接接地体极显著降低地极测量值。
3、三相复合导电混凝土制备与灌注
具体导电混凝土拌合工艺操作流程解释如下：
第一步：将碎石、沙、钢纤维、水泥和石墨依次加入到搅拌机内，先进行干拌，
干拌时间不少于1min，拌合均匀后停止拌合机。
第二步：由于实际拌合过程中很难保证混凝土的用水温度维持在40℃～60℃，因此先把能容纳200kg水的桶放在拌合楼上，向里面注入约2/3的热水(不低于80℃)，随后将减水剂、分散剂依次溶入水中。分散剂的添加过程要边搅拌边缓缓加入，水溶液逐渐呈粘稠状，然后向桶内注入常温下的水(条件允许最好用温水)，但不要将桶加满，留有一定的空间方便搅拌分散碳纤维；碳纤维的加入依然是边搅拌边加入，直至碳纤维添加完毕形成碳纤维分散水溶液。
第三步：将碳纤维分散水溶液加入到搅拌机内，为了安全起见，现场加完碳纤维分散水溶液后开启拌合机。膨胀防腐剂可此时加入。拌合站人员根据经验向拌合机里注入一定量的冷水以调整坍落度。碳纤维在拌合机内的理想搅拌时间约90s，而实际的搅拌时间约2min～3min。
完成混凝土制备后，向钻孔内压力灌注。
4焊接与土方回填
混凝土灌注凝固后，于钢管上端焊接一段-50X5扁钢作为连接板，将圆钢焊接在连接板上，保证水平射线与钢管可靠连接。待焊接完成后，进行土方回填，回填土务必紧实。
表1使用导电混泥土垂直接体地极试验数据
导电混凝土在立体接地中的应用，高压铁塔塔腿采用灌注本实施例导电混凝土来达到接地作用。结果见表2。由表2可知使用导电混凝土铁塔基础作为垂直接体达到接地电阻值要求，连接垂直接接地体极显著降低地极测量值。
表2使用导电混凝土铁塔基础作为垂直接体地极试验数据
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导电混凝土，其特征在于，所述混凝土包括以下按重量份计的以下组分：
碳纤维6~9份，钢纤维43~50份，石墨68~78份，分散剂1.38~1.58份，防腐剂10~15份，减水剂5.2~6份。
2.根据权利要求1所述导电混凝土，其特征在于，所述混凝土包括以下按重量份计的以下组分：
碳纤维8份，钢纤维46份，石墨72份，分散剂1.47份，防腐剂12份，减水剂5.88份。
3.根据权利要求1或2所述导电混凝土，其特征在于：所述石墨固定含碳量大于99%；
所述碳纤维为聚丙烯腈短切碳纤维，碳纤维密度为1800kg/m3，纤维长度6 mm，抗拉强度在3.5～4.5Gpa，含碳量≥93%，堆积密度≥300 g/L，水量<0.3%；
所述钢纤维抗拉强度》2800Mpa，密度为7800 kg/m3的镀铜微丝型钢纤维；
所述分散剂为甲基纤维素。
4.根据权利要求1或2所述导电混凝土，其特征在于：所述混凝土中的细骨料为粒径＜5mm的河砂，粗骨料为粒径≤25mm的碎石；所述混凝土中的水泥采用P·Ⅱ42.5级普通硅酸盐水泥。
5.一种导电混凝土的制作方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1）碎石、沙、钢纤维、水泥和石墨依次加入到搅拌机内，先进行干拌，得到物料1；
2）水、减水剂、分散剂混合，搅拌，边搅拌边加入碳纤维，得到物料2；
3）物料1和物料2搅拌，加入防腐剂，成型；
完成导电混凝土的制作。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤1）干拌时间不少于1min。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤2）水温度为 40~60℃。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤3）搅拌时间为2~3min。
9.权利要求1-4任意一项导电混凝土或权利要求5-8任意一项所述的方法在立体接地中的应用，其特征在于：在水平接地射线外延设置若干个钻孔，钻孔内插入热镀锌处理后的垂直接地体钢管，钢管与水平接地射线圆钢通过一块连接板放热焊接，再在钻孔内压力灌注导电混凝土，形成运用导电混凝土技术的复合接地装置。
10.权利要求1-4任意一项导电混凝土或权利要求5-8任意一项所述的方法在立体接地中的应用，其特征在于：高压铁塔塔腿采用灌注导电混凝土来达到接地作用。
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