CN108275942A - 钢渣碳纤维导电混凝土及其制备方法 - Google Patents

钢渣碳纤维导电混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钢渣碳纤维导电混凝土，按重量份包括以下组份：水泥98‑102份、砂100‑110份、碎石150‑165份、碳纤维1.6‑2.0份、水50‑55份、粉煤灰15‑16份、减水剂0.8‑1.5份、消泡剂0.03‑0.1份、分散剂0.4‑0.73份、钢渣粉16‑26份。本发明的钢渣碳纤维导电混凝土，采用钢渣与碳纤维以及分散剂等相互协同配合，其导电性能良好，电阻率可以下降到0.65Ω·m，接近传统碳纤维混凝土的电阻率，但是由于加入了成本较低的钢渣，减少了成本较高的碳纤维用量，从而整体上降低了制造成本；本发明中碳纤维在混凝土中的分散性好，混凝土的抗压强度以及电热性能均有提升。

Description

钢渣碳纤维导电混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土及其制备方法，特别涉及一种钢渣碳纤维导电混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土是目前用途最为广泛的建筑材料之一，随着现代材料科学的不断进步，混凝土已逐渐向高强、高性能和智能化发展。具有自感知、自适应、自修复和电热效应的导电混凝土也越来越受到人们的关注。但混凝土本身是非良导体，为减小其电阻率，使混凝土材料具有良好的导电性，需要在其中掺加导电相材料。掺加的导电相材料，按外形特征，可以分为纤维状和粉末状，纤维状导电相材料主要有钢纤维和碳纤维等；颗粒状导电相材料主要有碳粉和钢渣等。
而在众多的材料中,碳纤维因其具有良好的力-电-热性能，可监测范围广，操作简便等优势，引起了工程界的广泛关注。在混凝土中掺加碳纤维，有明显的阻裂效果；且碳纤维能够满足导电骨料的长径比要求，在混凝土内部形成较为连贯的导电通路；碳纤维作为导电相还可以克服钢纤维作为导电相易锈蚀的缺点。目前国内外已有工程将碳纤维混凝土用于机场路面、桥面等。但碳纤维混凝土在应用方面仍然存在一些问题。比如碳纤维价格较高、在混凝土中的分散不易均匀等。这些不利因素严重阻碍了碳纤维混凝土在工程中的推广应用。
钢渣粉是炼钢过程中的废弃物，铁的氧化物含量在18％-30％之间。而且在室温下，铁的氧化物导电率比普通碳纤维还要高。因此在混凝土中添加廉价的钢渣粉，可以提高混凝土的导电性。目前也已出现钢渣混凝土的制作方法，但由于钢渣呈细小颗粒状，不利于在混凝土内形成较为连贯的导电通路，且较于碳纤维混凝土，抗裂性较差，导致钢渣混凝土在工程中实用性不强。
因此，有必要对现有技术进行改进以解决上述技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钢渣碳纤维导电混凝土及其制备方法，其钢渣碳纤维导电混凝土导电性能好，力学性能和电学性能优良，而且制备成本低。具体而言通过以下技术方案实现：
本发明的钢渣碳纤维导电混凝土，其特征在于按重量份包括以下组份：水泥98-102份、砂100-110份、碎石150-165份、碳纤维1.6-2.0份、水50-55份、粉煤灰15-16份、减水剂0.8-1.5份、消泡剂0.03-0.1份、分散剂0.4-0.73份、钢渣粉16-26份。
进一步，所述碳纤维采用聚丙烯腈基碳纤维。聚丙烯腈基碳纤维即为PAN基碳纤维，不仅电阻值稳定，其导电性能可达到沥青基碳纤维的7倍之多。
进一步，所述聚丙烯腈基碳纤维的单丝长度为9mm-12mm。碳纤维单丝长度越长，相互之间越容易搭接，更容易形成导电通道，但是碳纤维单丝长度过长不利于碳纤维在混凝土中均匀分散，反而会影响导电率，以9-12mm为宜，优选12mm。
进一步，所述碎石的粒径为5-20mm。
进一步，所述碎石的粒径为5-16mm。此时钢渣碳纤维导电混凝土的导电性能和抗压强度两方面的综合性能最优。
进一步，所述分散剂采用甲基纤维素0.4-0.42份。在碳纤维掺量一定的情况下，其试件电阻率的大小取决于碳纤维相互搭接形成导电通路的多少，碳纤维分散越均匀，其相互搭接形成导电通路越多，导电性越好，电阻率越小。采用甲基纤维素0.4-0.42份作为分散剂，经测量电阻率低，导电性能好。
进一步，所述分散剂采用羧甲基纤维素0.49-0.63份。
进一步，所述分散剂采用羟乙基纤维素0.45-0.73份。以上三种分散剂优选羟乙基纤维素0.6份。选用羟乙基纤维素0.6份时对碳纤维质量和混凝土电阻率的影响最小。
本发明还公开了一种制备上述钢渣碳纤维导电混凝土的方法，包括以下步骤：
(1)称取20℃的水30-33份，加入分散剂，边加入边搅拌，全部加入后继续搅拌3分钟，使其充分溶解；
(2)加入消泡剂，继续搅拌，至用手触摸有明显的粘稠感；
(3)加入碳纤维，缓慢搅拌至碳纤维呈现均匀分散状态；
(4)将水泥、砂、碎石、粉煤灰、减水剂、钢渣粉和剩余20-22份水投入搅拌机，预搅拌1分钟；
(5)将步骤(3)得到的分散均匀的碳纤维溶液加入搅拌机中，搅拌3分钟；
(6)振动成型，48小时后拆模，进行标准养护。
本发明的有益效果：本发明的钢渣碳纤维导电混凝土，采用钢渣与碳纤维以及分散剂等相互协同配合，其导电性能良好，电阻率可以下降到0.65Ω·m，接近传统碳纤维混凝土的电阻率，但是由于加入了成本较低的钢渣，减少了成本较高的碳纤维用量，从而整体上降低了制造成本；本发明中碳纤维在混凝土中的分散性好，混凝土的抗压强度以及电热性能均有提升；本发明的其他有益效果将结合下文具体实施例中进行进一步的说明。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为分散均匀的碳纤维溶液；
图2为钢渣碳纤维导电混凝土受压破坏图；
图3为碳纤维混凝土受压破坏图；
图4为电阻率测试电路示意图；
图5为钢渣碳纤维导电混凝土电阻率随温度变化关系图；
图6为钢渣碳纤维导电混凝土电阻率随电压变化关系图；
图7为钢渣碳纤维导电混凝土板温度测点布置示意图；
图8为测试电极布置示意图；
图9为通电后钢渣碳纤维导电混凝土板温度场分布图；
具体实施方式
实施例一
(1)称取20℃的水30份(按重量计算，以下实施例中的分数都是按重量份)，加入分散剂甲基纤维素0.4份，边加入边搅拌，全部加入后继续搅拌3分钟，使其充分溶解；
(2)加入消泡剂磷酸三丁酯0.03份，继续搅拌，至用手触摸有明显的粘稠感；
(3)加入单丝长度为9mm的聚丙烯腈基碳纤维1.6份，缓慢搅拌至碳纤维呈现均匀分散状态；
(4)将标号42.5的普通硅酸盐水泥98份、普通河砂100份、粒径5-20mm的碎石150份、一级粉煤灰15份、FDN高效减水剂0.8份、风淬转炉钢渣粉16份和剩余20份水投入搅拌机，预搅拌1分钟；
(5)将步骤(3)得到的分散均匀的碳纤维溶液加入搅拌机中，搅拌3分钟
(6)振动成型，48小时后拆模，进行标准养护。
抗压强度测试：标准养护室养护28天后进行抗压强度试验，采用万能材料试验机按照3kN/S的速率施加荷载。试验时使试件中心和材料试验机的下压板中心对齐，记录下破坏荷载，抗压强度按照公式fcu＝0.95P/A计算，A为试件受压截面积。抗压强度达到35.15MPa，钢渣碳纤维混凝土破坏形态如图2，普通碳纤维混凝土破坏形态如图3所示，本实施例中的钢渣碳纤维导电混凝土较于同等条件下的碳纤维混凝土，体现出较好的抗裂性。
电阻率测试：采用四电极法测试电阻。试件在振动成型过程中，在两端安插不锈钢网片作为电极，测试时按照图4电路连接电源、电压表、电流表和导电混凝土。设定电压10V，通电1小时，待电表示数稳定后记录数值，并按照以下公式计算混凝土电阻率：R＝U/I，ρ＝RS/L，其中S为电极与混凝土的接触面积，L为连接电压表的两电极之间的距离。测得电阻率为1.7Ω·m。
混凝土电热性能试验：混凝土板在振动成型过程中，如图8所示，安插圆环形不锈钢网片作为电极，板面温度测点布置如图7，设定初始温度10℃，电压20V，通电2小时候，用热电偶式温度计和红外线热感温度计测量各测温点的温度并记录，温度场分布如图9。
实施例二
(1)称取20℃的水30份，加入分散剂羟乙基纤维素0.6份，边加入边搅拌，全部加入后继续搅拌3分钟，使其充分溶解；
(2)加入消泡剂磷酸三丁酯0.05份，继续搅拌，至用手触摸有明显的粘稠感；
(3)加入单丝长度为12mm的聚丙烯腈基碳纤维1.8份，缓慢搅拌至碳纤维呈现均匀分散状态；
(4)将标号42.5的普通硅酸盐水泥100份、普通河砂105份、粒径5-16mm的碎石158份、一级粉煤灰16份、FDN高效减水剂0.8份、风淬转炉钢渣粉16份和剩余25份水投入搅拌机，预搅拌1分钟；
(5)将步骤(3)得到的分散均匀的碳纤维溶液加入搅拌机中，搅拌3分钟；
(6)振动成型，48小时后拆模，进行标准养护。
抗压强度测试方法与实施例一相同，测得抗压强度34.9MPa。
电阻率测试方法与实施例一相同，测得电阻率1.1Ω·m。
实施例三
(1)称取20℃的水33份，加入分散剂羧甲基纤维素钠0.63份，边加入边搅拌，全部加入后继续搅拌3分钟，使其充分溶解；
(2)加入消泡剂磷酸三丁酯0.1份，继续搅拌，至用手触摸有明显的粘稠感；
(3)加入单丝长度为12mm的聚丙烯腈基碳纤维2.0份，缓慢搅拌至碳纤维呈现均匀分散状态；
(4)将标号42.5的普通硅酸盐水泥102份、普通河砂110份、粒径5-20mm的碎石150份、一级粉煤灰16份、FDN高效减水剂1.5份、风淬转炉钢渣粉26份和剩余22份水投入搅拌机，预搅拌1分钟；
(5)将步骤(3)得到的分散均匀的碳纤维溶液加入搅拌机中，搅拌3分钟；
(6)振动成型，48小时后拆模，进行标准养护。
抗压强度测试方法与实施例一相同，测得抗压强度36.6MPa。
电阻率测试方法与实施例一相同，测得电阻率为0.8Ω·m。
实施例四
(1)称取20℃的水32份，加入分散剂乙基纤维素0.73份，边加入边搅拌，全部加入后继续搅拌3分钟，使其充分溶解；
(2)加入消泡剂磷酸三丁酯0.08份，继续搅拌，至用手触摸有明显的粘稠感；
(3)加入单丝长度为12mm的聚丙烯腈基碳纤维1.8份，缓慢搅拌至碳纤维呈现均匀分散状态；
(4)将标号42.5的普通硅酸盐水泥100份、普通河砂110份、粒径不超过16mm的碎石165份、一级粉煤灰16份、FDN高效减水剂0.8份、风淬转炉钢渣粉16份和剩余25份水投入搅拌机，预搅拌1分钟；
(5)将步骤(3)得到的分散均匀的碳纤维溶液加入搅拌机中，搅拌3分钟；
(6)振动成型，48小时后拆模，进行标准养护。
抗压强度测试方法与实施例一相同，测得抗压强度35.2MPa。
电阻率测试方法与实施例一相同，测得电阻率为0.65Ω·m。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种钢渣碳纤维导电混凝土，其特征在于按重量份包括以下组份：水泥98-102份、砂100-110份、碎石150-165份、碳纤维1.6-2.0份、水50-55份、粉煤灰15-16份、减水剂0.8-1.5份、消泡剂0.03-0.1份、分散剂0.4-0.73份、钢渣粉16-26份。
2.根据权利要求1所述的钢渣碳纤维导电混凝土，其特征在于：所述碳纤维采用聚丙烯腈基碳纤维。
3.根据权利要求2所述的钢渣碳纤维导电混凝土，其特征在于：所述聚丙烯腈基碳纤维的单丝长度为9-12mm。
4.根据权利要求3所述的钢渣碳纤维导电混凝土，其特征在于：所述碎石的粒径为5-20mm。
5.根据权利要求4所述的钢渣碳纤维导电混凝土，其特征在于：所述碎石的粒径为5-16mm。
6.根据权利要求5所述的钢渣碳纤维导电混凝土，其特征在于：所述分散剂采用甲基纤维素0.4-0.42份。
7.根据权利要求5所述的钢渣碳纤维导电混凝土，其特征在于：所述分散剂采用羧甲基纤维素0.49-0.63份。
8.根据权利要求5所述的钢渣碳纤维导电混凝土，其特征在于：所述分散剂采用羟乙基纤维素0.45-0.73份。
9.一种制备权利要求1-8任一权利要求所述钢渣碳纤维导电混凝土的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)称取20℃的水30-33份，加入分散剂，边加入边搅拌，全部加入后继续搅拌3分钟，使其充分溶解；
(2)加入消泡剂，继续搅拌，至用手触摸有明显的粘稠感；
(3)加入碳纤维，缓慢搅拌至碳纤维呈现均匀分散状态；
(4)将水泥、砂、碎石、粉煤灰、减水剂、钢渣粉和剩余20-22份水投入搅拌机，预搅拌1分钟；
(5)将步骤(3)得到的分散均匀的碳纤维溶液加入搅拌机中，搅拌3分钟
(6)振动成型，48小时后拆模，进行标准养护。
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