CN109574600B - 一种高导电石墨混凝土 - Google Patents

一种高导电石墨混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高导电石墨混凝土，解决了石墨导电混凝土随着石墨添加量增加电阻下降不明显的问题。该发明包括以下重量百分比的原料，硅酸盐水泥5‑13%、水14‑20%、分散剂组合物0.3‑10%、保水组分3.8‑5.4%、粘聚剂1.4‑3.4%、石墨粉6‑9%、煤矸石25‑50%、石子10‑25%、砂子9‑28%。石墨粉为鳞片石墨或土状石墨，分散剂组合物由非离子表面活性剂和阴离子表面活性等复配而成。混合体系中没有片状石墨的相互搭接及石墨片间的相互搭接，所制备的混凝土没有链状回路和间断回路，不存在无石墨区域的绝缘回路，电阻率小于9Ω•m，抗压强度高，坍落度损失小。

Description

一种高导电石墨混凝土
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体为一种高导电石墨混凝土。
背景技术
随着工程技术的发展，在建筑施工中出现了导电混凝土，解决了特殊工程中难以解决的关键技术难题。目前的现有技术中，主要利用在混凝土中掺加石墨，在混凝土中添加石墨后，由于其颗粒接近等轴状，长径比小，当掺量不高时，导电相接触较少，石墨在混凝土中很难形成完整的导电网络，而当掺量较大时，由于导电相本身强度较低及导电相材料具吸水性，混凝土拌和水量将明显增大，混凝土各龄期强度大幅下降，黏聚性减弱、保水性降低，坍落度损失大，难以满足土木工程对力学性能的要求。
实际上，石墨混凝土在成分极性上存在很大不同，石墨原料为非极性的固体物质，混凝土制备主要利用水混合，水是非极性物质，石墨通常是聚集或漂浮在水表面,即使通过搅拌作用,也不容易使石墨均匀分散于所制备混凝土中，这样在混合体系中出现片状石墨的相互搭接及石墨片间的相互搭接，使得所制备的混凝土产生链状回路和间断回路，同时还存在着无石墨区域的绝缘回路。用9V直流电源、240V交流电源测试，未掺石墨的混凝土标准养护28d后的电阻率分别为 1.585×104、7.794×103Ω•m；当掺入5%石墨时，混凝土电阻率下降最为明显，分别为14.210、6.820Ω•m；当石墨掺量达到10%时，凝土电阻率下降已不再明显，分别为3.367和1.665Ω•m，这就说明当电阻率下降到一定程度，不能通过提高石墨掺加量来改变。
因此，要获得力学强度好、具有很好的坍落度和导电性能的混凝土在建筑施工技术领域具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供一种高导电石墨混凝土。
本发明通过如下技术方案解决如上技术问题。
一种高导电石墨混凝土，其特征在于，由以下重量百分比的原料制成，硅酸盐水泥5-13%、水14-20%、分散剂组合物0.3-10%、保水组分3.8-5.4%、粘聚剂1.4-3.4%、石墨粉6-9%、煤矸石25-50%、石子10-25%、砂子9-28%。
优选的石墨粉为鳞片石墨，粒度为50-180目；优选的石墨粉为土状石墨，粒度为50-200目。
优选的石墨纯度为95-99.5%。
煤矸石的细度模数为2.0-3.7，石子的细度模数为3.0-3.5，砂子的细度模数为2.0-3.0。
分散剂组合物包括非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂，对于技术方案中石墨粉选用鳞片石墨，优选的分散剂组合物由以下重量百分比的原料组成：
聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯10-25%、烷基酚聚氧乙烯醚8-18%、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠50-70%。
对于技术方案中石墨粉选用土状石墨，优选的分散剂组合物由以下重量百分比的原料组成：
羧甲基纤维素钠10-20%、木质素磺酸钠55-70%、α-烯烃磺酸钠25-35%。
本发明优选地，选择的分散剂pH值大于8，分散剂为非离子表面活性或亲油性比较大的表面活性剂，如氨基酸酯类、高分子羧酸嵌段共聚物，选用其中的一种或两种复配。
保水组分为丙三醇和山梨醇组合物，二者重量百分比为丙三醇50-70%、山梨醇30-50%，山梨醇的浓度为50-75%。
粘聚剂优选为聚乙烯吡咯烷酮，或其它具有亲水性，易溶于水，并具有一定粘度的化合物。其与普通硅酸盐水泥协同作用，增加粘结性，增强混凝土的强度；通过保水组分锁住水分，石墨选用一定粒度的石墨矿石，二者协同作用，提高了石墨混凝土的粘聚性、保水性，坍落度损失小，同时使混凝土具有很好的导电性。
丙三醇带有三个醇羟基，能与水以任意比例溶解，可以锁住水分，具有一定的保湿性；山梨醇易溶于水，难溶于有机溶剂，它耐酸，耐热性能好，具有很好的引湿性。二者按照一定比例混合，可以锁住混凝土中的水分。
煤矸石选用煤矿选煤的废料。
优选的普通硅酸盐水泥为P.0 42.5。
本发明还提供了上述高导电石墨混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照上述重量百分比称取各种原料；
（2）石墨分散物制备：称取分散剂组合物原料组分，加入配方量50-80%的水后加入石墨粉，常温下混合，搅拌均匀；
（3）保水组分混合物制备：称取保水组分原料，即称取配方中重量份的丙三醇和山梨醇，加入粘聚剂，再加入余量的水，常温下混合，搅拌均匀；
（4）在搅拌机中加入煤矸石、石子、砂子、硅酸盐水泥，同时加入步骤（2）所述的石墨分散物和步骤（3）所述的保水组分混合物，边加入边搅拌，全部加入后继续搅拌5-10分钟至均匀，获得混凝土原浆；
（5）将步骤（4）中所述的混凝土原浆注入模具中，获得模具体；
（6）将步骤（5）中混凝土模具体放置3小时以上，再采用塑料薄膜覆盖进行养护，获得初品；
（7）将步骤（6）中的混凝土初品脱模，自然养护，获得混凝土成品。
本发明的混凝土可广泛用于高导电混凝土技术领域中，如屏蔽无线电干扰、防御电磁波、接地装置、建筑物的避雷设备、消除静电装置、环境加热、电阻器、建筑采暖地面、金属防腐阴极保护、高速公路的自动监控及道路和机场的冰雪融化等。
这种技术方案能够使石墨均匀的分散在水中，通过机械搅拌，使水均匀地分布在骨料和水泥中，得到石墨分布均匀的石墨混凝土，在混合体系中基本没有出现片状石墨的相互搭接或石墨片间的相互搭接现象，所制备的混凝土没有链状回路和间断回路，不存在着无石墨区域的绝缘回路，很好地降低石墨混凝土的电阻值。保水组分在制备工艺适当的步骤加入，并混合以混凝土其它成分，使混凝土保水性能好，具有很好的力学性能和坍落度。
对于不同种类的石墨添加在不同配方成分和配方数值的混凝土中，分散剂种类、HLB值、pH值对电阻值均将产生很大的影响。
本发明具有工艺简单，导电性、抗压性能好、坍落度损失小的特性，便于施工。
具体实施方式
实施例1：
一种高导电石墨混凝土，其特征在于，由以下重量百分比的原料制成，硅酸盐水泥13%、水20%、分散剂组合物5%、保水组分3.8%、粘聚剂1.4%、石墨粉9%、煤矸石25%、石子10%、砂子12.8%。
石墨粉为鳞片石墨，粒度为180目，石墨纯度为99.5%。
煤矸石的细度模数为3.7，石子的细度模数为3.0，砂子的细度模数为2.0。
分散剂组合物包括由以下重量百分比的原料组成：
聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯20%、烷基酚聚氧乙烯醚10%、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠70%。
保水组分为丙三醇和山梨醇组合物，二者重量百分比为丙三醇70%、山梨醇30%，山梨醇的浓度为75%。
粘聚剂为聚乙烯吡咯烷酮，其与硅酸盐水泥协同作用，增加粘结性，增强混凝土的强度；通过保水组分锁住水分，石墨选用一定粒度的鳞片石墨，二者协同作用，提高了石墨混凝土的粘聚性、保水性，坍落度损失小，同时使混凝土具有很好的导电性。
丙三醇带有三个醇羟基，能与水以任意比例溶解，可以锁住水分，具有一定的保湿性；山梨醇易溶于水，难溶于有机溶剂，它耐酸，耐热性能好，具有很好的引湿性。二者按照一定比例混合，可以锁住混凝土中的水分。
煤矸石选用煤矿选煤的废料。
普通硅酸盐水泥为P.0 42.5。
本发明还提供了上述高导电石墨混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照上述重量百分比称取各种原料；
（2）石墨分散物制备：称取分散剂组合物原料组分，加入配方量50%的水后加入石墨粉，常温下混合，搅拌均匀；
（3）保水组分混合物制备：称取保水组分原料，即称取配方中重量份的丙三醇和山梨醇，加入粘聚剂，再加入余量的水，常温下混合，搅拌均匀；
（4）在搅拌机中加入煤矸石、石子、砂子、硅酸盐水泥，同时加入步骤（2）所述的石墨分散物和步骤（3）所述的保水组分混合物，边加入边搅拌，全部加入后继续搅拌5-10分钟至均匀，获得混凝土原浆；
（5）将步骤（4）中所述的混凝土原浆注入模具中，获得模具体；
（6）将步骤（5）中混凝土模具体放置3小时，再采用塑料薄膜覆盖进行养护，获得初品；
（7）将步骤（6）中的混凝土初品脱模，自然养护，获得混凝土成品。
如上石墨混凝土坍落度为大于39mm，达到了坍落度的要求，养护28天，抗压强度在30.5MPa以上。
混合体系中没有片状石墨的相互搭接及石墨片间的相互搭接，所制备的混凝土没有链状回路和间断回路，不存在无石墨区域的绝缘回路，电阻率小于9Ω•m，抗压强度高，坍落度损失小。
实施例2：
一种高导电石墨混凝土，其特征在于，实施例中的原料重量百分比调整为，硅酸盐水泥5%、水14%、分散剂组合物10%、保水组5.4%、粘聚剂3.4%、石墨粉9%、煤矸石34.2%、石子10%、砂子9%。
优选的石墨粉为为土状石墨，粒度为200目，纯度为95%。
煤矸石的细度模数为2.0，石子的细度模数为3.0，砂子的细度模数为3.0。
分散剂组合物由以下重量百分比的原料组成：
羧甲基纤维素钠20%、木质素磺酸钠55%、α-烯烃磺酸钠25%。
保水组分为丙三醇和山梨醇组合物，二者重量百分比为丙三醇50%、山梨醇50%，山梨醇的浓度为50%。
粘聚剂为聚乙烯吡咯烷酮，煤矸石选用煤矿选煤的废料，硅酸盐水泥为P.0 42.5。
本发明还提供了上述高导电石墨混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照上述重量百分比称取各种原料；
（2）石墨分散物制备：称取分散剂组合物原料组分，加入配方量80%的水后加入石墨粉，常温下混合，搅拌均匀；
（3）保水组分混合物制备：称取保水组分原料，即称取配方中重量份的丙三醇和山梨醇，加入粘聚剂，再加入余量的水，常温下混合，搅拌均匀；
（4）在搅拌机中加入煤矸石、石子、砂子、硅酸盐水泥，同时加入步骤（2）所述的石墨分散物和步骤（3）所述的保水组分混合物，边加入边搅拌，全部加入后继续搅拌5-10分钟至均匀，获得混凝土原浆；
（5）将步骤（4）中所述的混凝土原浆注入模具中，获得模具体；
（6）将步骤（5）中混凝土模具体放置3小时以上，再采用塑料薄膜覆盖进行养护，获得初品；
（7）将步骤（6）中的混凝土初品脱模，自然养护，获得混凝土成品。
实施例3：
如实施例2，石墨粉选用土状石墨，粒度为50目，纯度为99.5%。
煤矸石的细度模数为2.5，石子的细度模数为3.2，砂子的细度模数为2.5。
分散剂组合物由以下重量百分比的原料组成：
羧甲基纤维素钠10%、木质素磺酸钠55%、α-烯烃磺酸钠25-35%。
保水组分为丙三醇和山梨醇组合物，二者重量百分比为丙三醇60%、山梨醇40%，山梨醇的浓度为60%。
制备方法中，步骤（2），加入配方量70%的水后加入石墨粉，常温下混合，搅拌均匀。
实施例4：
一种高导电石墨混凝土，其特征在于，由以下重量百分比的原料制成，硅酸盐水泥10%、水16%、分散剂组合物2%、保水组分4.5%、粘聚剂2.1%、石墨粉6%、煤矸石24.4%、石子25%、砂子10%。
石墨粉为鳞片石墨，粒度为50目，纯度为95%。
煤矸石的细度模数为3.0，石子的细度模数为3.3，砂子的细度模数为2.5。
分散剂组合物由以下重量百分比的原料组成：
聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯25%、烷基酚聚氧乙烯醚18%、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠57%。
保水组分为丙三醇和山梨醇组合物，二者重量百分比为丙三醇60%、山梨醇40%，山梨醇的浓度为55%。
粘聚剂优选为聚乙烯吡咯烷酮，煤矸石选用煤矿选煤的废料，硅酸盐水泥为P.042.5。
本发明还提供了上述高导电石墨混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照上述重量百分比称取各种原料；
（2）石墨分散物制备：称取分散剂组合物原料组分，加入配方量60%的水后加入石墨粉，常温下混合，搅拌均匀；
（3）保水组分混合物制备：称取保水组分原料，即称取配方中重量份的丙三醇和山梨醇，加入粘聚剂，再加入余量的水，常温下混合，搅拌均匀；
（4）在搅拌机中加入煤矸石、石子、砂子、硅酸盐水泥，同时加入步骤（2）所述的石墨分散物和步骤（3）所述的保水组分混合物，边加入边搅拌，全部加入后继续搅拌5-10分钟至均匀，获得混凝土原浆；
（5）将步骤（4）中所述的混凝土原浆注入模具中，获得模具体；
（6）将步骤（5）中混凝土模具体放置3小时以上，再采用塑料薄膜覆盖进行养护，获得初品；
（7）将步骤（6）中的混凝土初品脱模，自然养护，获得混凝土成品。
实施例5：
一种高导电石墨混凝土，其特征在于，由以下重量百分比的原料制成，硅酸盐水泥7%、水15%、分散剂组合物0.3%、保水组分4.0%、粘聚剂2.5%、石墨粉8.0%、煤矸石20%、石子15.2%、砂子28%。
石墨粉为鳞片石墨，粒度为100目，纯度为96%。
煤矸石的细度模数为2.8，石子的细度模数为3.4，砂子的细度模数为2.3。
分散剂为非离子表面活性，氨基酸酯与高分子羧酸嵌段共聚物进行1:1复配。
保水组分为丙三醇和山梨醇组合物，二者重量百分比为丙三醇55%、山梨醇45%，山梨醇的浓度为70%。
粘聚剂为聚乙烯吡咯烷酮，煤矸石选用煤矿选煤的废料，硅酸盐水泥为P.0 42.5。
本发明还提供了上述高导电石墨混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照上述重量百分比称取各种原料；
（2）石墨分散物制备：称取分散剂组合物原料组分，加入配方量65%的水后加入石墨粉，常温下混合，搅拌均匀；
（3）保水组分混合物制备：称取保水组分原料，即称取配方中重量份的丙三醇和山梨醇，加入粘聚剂，再加入余量的水，常温下混合，搅拌均匀；
（4）在搅拌机中加入煤矸石、石子、砂子、硅酸盐水泥，同时加入步骤（2）所述的石墨分散物和步骤（3）所述的保水组分混合物，边加入边搅拌，全部加入后继续搅拌10分钟至均匀，获得混凝土原浆；
（5）将步骤（4）中所述的混凝土原浆注入模具中，获得模具体；
（6）将步骤（5）中混凝土模具体放置3.5小时，再采用塑料薄膜覆盖进行养护，获得初品；
（7）将步骤（6）中的混凝土初品脱模，自然养护，获得混凝土成品。
本发明的混凝土可广泛用于高导电混凝土技术领域中，如屏蔽无线电干扰、防御电磁波、接地装置、建筑物的避雷设备、消除静电装置、环境加热、电阻器、建筑采暖地面、金属防腐阴极保护、高速公路的自动监控及道路和机场的冰雪融化等。
如上技术方案能够使石墨均匀的分散在水中，通过机械搅拌，使水均匀地分布在骨料和水泥中，得到石墨分布均匀的石墨混凝土，在混合体系中基本没有出现片状石墨的相互搭接或石墨片间的相互搭接，所制备的混凝土没有产生链状回路和间断，不存在无石墨区域的绝缘回路，从而很好地降低石墨混凝土的电阻值。保水组分在制备工艺适当的步骤加入，并混合以混凝土其它成分，使混凝土保水性能好，具有很好的力学性能和坍落度。
对于不同种类的石墨添加在不同配方成分和配方数值的混凝土中，分散剂种类、HLB值、pH值对电阻值均将产生很大的影响。
本发明具有工艺简单，导电性、抗压性能好、坍落度损失小的特性，便于施工。

Claims (4)

1.一种高导电石墨混凝土，其特征在于：由以下重量百分比的原料制成，硅酸盐水泥5-13%、水14-20%、分散剂组合物0.3-10%、保水组分3.8-5.4%、粘聚剂1.4-3.4%、石墨粉6-9%、煤矸石25-50%、石子10-25%、砂子9-28%；
煤矸石细度模数为2.0-3.0，石子细度模数为3.0-3.8，砂子细度模数为2.0-3.0；
石墨粉为鳞片石墨，粒度为50-180目，分散剂组合物由以下重量百分比的原料组成：聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯10-25%、烷基酚聚氧乙烯醚8-18%、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠50-70%；
保水组分为丙三醇和山梨醇组合物，二者重量百分比为丙三醇50-70%、山梨醇30-50%，山梨醇的浓度为50-75%；
粘聚剂为聚乙烯吡咯烷酮。
2.根据权利要求1所述的一种高导电石墨混凝土，其特征在于：所述石墨粉为土状石墨，粒度为50-200目，分散剂组合物由以下重量百分比的原料组成：
羧甲基纤维素钠10-20%、木质素磺酸钠55-70%、α-烯烃磺酸钠25-35%。
3.根据权利要求1所述的一种高导电石墨混凝土，其特征在于：所述的石墨纯度为95-99.5% 。
4.一种高导电石墨混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照权利要求1-3任一项所述的高导电混凝土的百分比称取各种原料；
（2）石墨分散物制备：称取分散剂组合物原料组分，加入配方量50-80%的水后加入石墨粉，常温下混合，搅拌均匀；
（3）保水组分混合物制备：称取配方中重量份的丙三醇和山梨醇，加入粘聚剂，再加入余量的水，常温下混合，搅拌均匀；
（4）在搅拌机中加入煤矸石、石子、砂子、硅酸盐水泥，同时加入步骤（2）所述的石墨分散物和步骤（3）所述的保水组分混合物，边加入边搅拌，全部加入后继续搅拌5-10分钟至均匀，获得混凝土原浆；
（5）将步骤（4）中所述的混凝土原浆注入模具中，获得模具体；
（6）将步骤（5）中混凝土模具体放置3小时以上，再采用塑料薄膜覆盖进行养护，获得初品；
（7）将步骤（6）中的混凝土初品脱模，自然养护，获得混凝土成品。
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分散剂对石墨水悬浮液分散性能的影响;王丽丽等;《新型炭材料》;20160228;第31卷(第1期);第92-96页 *
石墨粉对导电混凝土性能的影响;游峰等;《混凝土世界》;20170531(第95期);第54-59页 *

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