CN110171949A - 一种杆塔接地用导电混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种杆塔接地用导电混凝土，由如下重量份的原料制成：水泥100～150份、集料100～150份、水50～120份、石墨40～65份、不锈钢纤维2～8份、聚苯胺/膨润土复合材料1～5份、助剂0.5～3份。本发明采用石墨和不锈钢纤维复配为主导电掺杂相，加入聚苯胺/膨润土复合材料和助剂，可有效提高导电混凝土的导电性能和机械强度，导电混凝土的电阻率≤0.015Ω·m，抗压强度在45～50MPa，抗折强度在6.5～7.5MPa。

Description

一种杆塔接地用导电混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种接地材料的制备方法，尤其涉及电力系统杆塔接地用导 电混凝土及其制备方法。
背景技术
随着电网建设规模的不断扩大和输电走廊的日渐紧张，在高土壤体积电 阻率(最高可达数千)的场所建设输电线路的情况变得常见。同时全国联网 战略实现过程中超/特高压输变电系统快速增加，电力输送容量增大，对于故 障电流的要求也相应增加。规范《GB50065-2011交流电气装置的接地设计规 范》要求最大接地电阻R≤2000/IG(IG为经接地网入地的最大接地故障不对 称电流有效值)，在高土壤体积电阻率、大电力输送容量的条件下，输电线 路接地规程不容易满足。在普通混凝土中添加一定量的导电组分可制成具有 导电性能的水泥基复合材料，水泥基导电复合材料既具有结构材料的特性， 又有导电材料的特性，能够与接地体表面和地层紧密结合，能显著地改善接 地网的接地效果。
导电混凝土是指由水泥、导电材料、集料、水以及其他添加剂等，按照 一定配比混合而成的复合材料。水泥基导电复合材料中添加的导电相材料主 要集中在碳系和金属系材料两方面。碳系导电相材料包括石墨，碳纤维，炭 黑等碳骨质材料,石墨烯等，金属系导电相研究主要集中在钢纤维以及以风淬 钢渣为代表的金属氧化物等材料。在所有的导电相材料中，石墨水泥基复合 材料成本最低，应用最为广泛，但相对于其他导电相材料，石墨对水泥基复 合材料导电性能改善效果并不优秀，同时石墨的添加还会在一定程度上降低水泥基复合材料的机械强度；炭黑对于水泥基复合材料导电性能的提升好于 石墨，但炭黑强度低，吸水性大，力学性能不够好；风淬钢渣的虽然能加强 水泥基复合材料的机械强度，但由于风淬钢渣中主要的导电成分FeO含量过 低(约为18％～30％)，导电性能太差；纤维类的碳纤维与钢纤维对于水泥基 导电复合材料的导电性改善效果最好，对于水泥基导电复合材料的机械强度 也有一定提升，但成本比较高，同时碳纤维在水泥基复合材料存在分散问题， 钢纤维在水泥基复合材料中会出现钝化问题，使水泥基复合材料体积电阻率 升高。近年来，在非极端(强酸，强碱)条件下导电性能比较稳定的不锈钢 材料越来越多地在接地工程中使用，作为一种不易被腐蚀的材料，不锈钢纤 维作为导电相材料克服了钢纤维易钝化的缺点，目前研究还较少。如专利号 为201110277851.7的耐腐蚀高强度导电混凝土及其制备方法，采用石墨和导 电纤维为导电填料，混凝土的导电性和耐腐蚀性都有所提高，但是其抗压强 度较低，导电性能还有待进一步提升。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供一种好、机械强度高的杆塔接地用导电 混凝土及其制备方法。
本发明目的的一个方面，是提供一种杆塔接地用导电混凝土，包括如下 重量份的原料：水泥100～150份、集料100～150份、水50～120份、石墨40～65 份、不锈钢纤维2～8份、聚苯胺/膨润土复合材料1～5份、助剂0.5～3份。
进一步地，本发明的杆塔接地用导电混凝土，包括如下重量份的原料： 水泥120～135份、集料120～135份、水80～100份、石墨50～58份、不锈钢纤 维4～6份、聚苯胺/膨润土复合材料2.5～4.2份、助剂1.5～2份。
进一步地，所述集料为砂或细石；和/或所述水泥采用P.O52.5普通硅酸 盐水泥具有抗压强度高，凝结时间早，可塑性强等特点，是工程建设领域较 为常用的凝胶材料。
进一步地，所述石墨为500目石墨粉，含碳量大于99％，具有较好的耐 酸碱性、抗氧化性以及化学惰性。
进一步地，所述不锈钢纤维为直径0.03～0.05mm，6～15mm的长条。
进一步地，所述助剂包括四氧化三锰、玻化微珠和十二水硫酸铝钾，还 包括磷酸盐或聚磷酸盐。
进一步地，所述四氧化三锰为三维多孔四氧化三锰，四氧化三锰：玻化 微珠：十二水硫酸铝钾：磷酸盐或聚磷酸盐的质量比＝1：0.5～2：0.8～1.5： 0.8～1.5。
本发明目的的另一方面是提供一种杆塔接地用导电混凝土的制备方法， 包括以下步骤：
S1、按重量份配比将水泥、集料、水、石墨、不锈钢纤维、聚苯胺/膨润 土复合材料、助剂按顺序加入搅拌锅内，在水泥净浆搅拌机上充分搅拌后得 到混合均匀的混合物；
S2、将步骤S1得到的混合物倒入模具内制样，将模具放至水泥胶砂振动 台上振动，至材料表面平整成型为止；
S3、将成型后的模具放入养护箱养护24小时后脱模，然后标准养护28 天。
进一步地，所述聚苯胺/膨润土复合材料的制备方法如下：
按质量比5：1称取膨润土和十六烷基三甲基溴化铵，溶解在蒸馏水中， 在80℃下静止浸泡72h，过滤后在60℃下干燥处理，研磨过筛；
配制2mol/L的盐酸溶液和2mol/L的过硫酸铵溶液，称取定量的经上述 有机化处理的膨润土，加入三口烧瓶中，往三口烧瓶中通入氮气，依次加入 苯胺、盐酸溶液，在10～20℃磁力搅拌下滴加过硫酸铵，控制苯胺：盐酸： 过硫酸铵的摩尔比＝1：0.5：1，反应结束后，将得到的墨绿色混合液用蒸馏 水洗涤直至滤液变为无色，过滤；将过滤得到的粉末在60℃下干燥48h，放 入研钵研磨成细粉，即得聚苯胺/膨润土复合材料。
进一步地，步骤S1中搅拌速度为300～330r/min，搅拌时间为12～20min。
进一步地，步骤S3中所述标准养护为在20±2℃、相对湿度≥95％的环 境中养护28天。
本发明可取得如下有益效果：
1、本发明采用石墨和不锈钢纤维复配为主导电掺杂相，石墨具有导电性 能好、成本较低的优点，不锈钢纤维的机械强度较好，不易被腐蚀和钝化， 得到的导电混凝土的导电性、机械强度、材料稳定性、抗渗抗冻性和经济性 都良好。
2、聚苯胺/膨润土复合材料的电导率可达10S/cm以上，膨润土的存在限 制了聚苯胺的主链排布，是聚苯胺链趋于规整，导电通路畅通，因此电导率 可比单纯的聚苯胺高，可降低导电混凝土的电阻率；聚苯胺/膨润土复合材料 的制备方法产率高，在85％以上。
3、聚苯胺为刚性粉末，本身具有胺基和亚胺基，对导电混凝土具有一定 的固化作用，另一方面膨润土具有胶凝和粘结作用，连接不锈钢纤维和石墨， 提高材料结构的致密性及力学性能，能提高导电混凝土的抗压强度和抗折强 度。
4、通过使用助剂，增加了导电混凝土的抗压抗折强度；聚磷酸盐可与其 他原料起到协同作用，提高电导率；十二水硫酸铝钾、三维多孔四氧化三锰 具有很好的分散性，可提高原料稳定性，玻化微珠具有很好的粘结性，提高 材料结构的致密性。
5、本发明的导电混凝土电阻率≤0.015Ω·m，抗压强度在45～50MPa，抗 折强度在6.5～7.5MPa。
具体实施方式
下面对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所 描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发 明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的 所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所用材料均为市售产品，砂选用ISO水泥试验标准砂。
实施例1：
(1)聚苯胺/膨润土复合材料的制备：
按质量比5：1称取膨润土和十六烷基三甲基溴化铵，溶解在蒸馏水中， 在80℃下静止浸泡72h，过滤后在60℃下干燥处理，研磨过筛；
配制2mol/L的盐酸溶液和2mol/L的过硫酸铵溶液，称取定量的经上述 有机化处理的膨润土，加入三口烧瓶中，往三口烧瓶中通入氮气，依次加入 苯胺、盐酸溶液，在15℃磁力搅拌下滴加过硫酸铵，控制摩尔比n(苯胺)： n(盐酸)：n(过硫酸铵)＝1：0.5：1，反应结束后，将得到的墨绿色混合液 倒入G4漏斗中，用蒸馏水洗涤直至滤液变为无色；将过滤洗涤后的粉末在 60℃下干燥48h，放入研钵研磨成细粉，即得聚苯胺/膨润土复合材料。
(2)杆塔接地用导电混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、按重量份配比将水泥150份、集料150份、水120份、石墨63份、 不锈钢纤维7.5份、聚苯胺/膨润土复合材料4.5份、四氧化三锰0.2份、玻化 微珠0.2份、十二水硫酸铝钾0.2份、聚磷酸钠0.2份按顺序加入搅拌锅内， 在水泥净浆搅拌机上以300r/min的速度搅拌15min，得到混合均匀的混合物；
S2、将步骤S1得到的混合物倒入模具内制样，将模具放至水泥胶砂振动 台上振动，至材料表面平整成型为止；
S3、将成型后的模具放入养护箱养护24小时后脱模，然后在20±2℃、 相对湿度95％的环境中养护28天。
实施例2：
(1)聚苯胺/膨润土复合材料的制备：
按质量比5：1称取膨润土和十六烷基三甲基溴化铵，溶解在蒸馏水中， 在80℃下静止浸泡72h，过滤后在60℃下干燥处理，研磨过筛；
配制2mol/L的盐酸溶液和2mol/L的过硫酸铵溶液，称取定量的经上述 有机化处理的膨润土，加入三口烧瓶中，往三口烧瓶中通入氮气，依次加入 苯胺、盐酸溶液，在20℃磁力搅拌下滴加过硫酸铵，控制摩尔比n(苯胺)： n(盐酸)：n(过硫酸铵)＝1：0.5：1，反应结束后，将得到的墨绿色混合液 倒入G4漏斗中，用蒸馏水洗涤直至滤液变为无色；将过滤洗涤后的粉末在 60℃下干燥48h，放入研钵研磨成细粉，即得聚苯胺/膨润土复合材料。
(2)杆塔接地用导电混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、按重量份配比将水泥100份、集料110份、水52份、石墨35份、 不锈钢纤维6.5份、聚苯胺/膨润土复合材料2.5份、四氧化三锰1份、玻化微 珠0.5份、十二水硫酸铝钾0.7份、聚磷酸钠0.7份按顺序加入搅拌锅内，在 水泥净浆搅拌机上以320r/min的速度搅拌15min，得到混合均匀的混合物；
S2、将步骤S1得到的混合物倒入模具内制样，将模具放至水泥胶砂振动 台上振动，至材料表面平整成型为止；
S3、将成型后的模具放入养护箱养护24小时后脱模，然后在20±2℃、 相对湿度98％的环境中养护28天。
实施例3：
(1)聚苯胺/膨润土复合材料的制备：
按质量比5：1称取膨润土和十六烷基三甲基溴化铵，溶解在蒸馏水中， 在80℃下静止浸泡72h，过滤后在60℃下干燥处理，研磨过筛；
配制2mol/L的盐酸溶液和2mol/L的过硫酸铵溶液，称取定量的经上述 有机化处理的膨润土，加入三口烧瓶中，往三口烧瓶中通入氮气，依次加入 苯胺、盐酸溶液，在10℃磁力搅拌下滴加过硫酸铵，控制摩尔比n(苯胺)： n(盐酸)：n(过硫酸铵)＝1：0.5：1，反应结束后，将得到的墨绿色混合液 倒入G4漏斗中，用蒸馏水洗涤直至滤液变为无色；将过滤洗涤后的粉末在 60℃下干燥48h，放入研钵研磨成细粉，即得聚苯胺/膨润土复合材料。
(2)杆塔接地用导电混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、按重量份配比将水泥135份、集料135份、水102份、石墨55份、 不锈钢纤维5.5份、聚苯胺/膨润土复合材料3.5份、四氧化三锰0.3份、玻化 微珠0.5份、十二水硫酸铝钾0.4份、聚磷酸钠0.3份按顺序加入搅拌锅内， 在水泥净浆搅拌机上以315r/min的速度搅拌16min，得到混合均匀的混合物；
S2、将步骤S1得到的混合物倒入模具内制样，将模具放至水泥胶砂振动 台上振动，至材料表面平整成型为止；
S3、将成型后的模具放入养护箱养护24小时后脱模，然后在20±2℃、 相对湿度100％的环境中养护28天。
实施例4：
(1)聚苯胺/膨润土复合材料的制备：与实施例2相同
(2)杆塔接地用导电混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、按重量份配比将水泥130份、集料130份、水110份、石墨58份、 不锈钢纤维6份、聚苯胺/膨润土复合材料4.2份、四氧化三锰0.4份、玻化微 珠0.6份、十二水硫酸铝钾0.4份、聚磷酸钠0.4份按顺序加入搅拌锅内，在 水泥净浆搅拌机上以325r/min的速度搅拌13min，得到混合均匀的混合物；
S2、将步骤S1得到的混合物倒入模具内制样，将模具放至水泥胶砂振动 台上振动，至材料表面平整成型为止；
S3、将成型后的模具放入养护箱养护24小时后脱模，然后在20±2℃、 相对湿度100％的环境中养护28天。
实施例5：
(1)聚苯胺/膨润土复合材料的制备：与实施例3相同
(2)杆塔接地用导电混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、按重量份配比将水泥115份、集料112份、水85份、石墨47份、 不锈钢纤维3.6份、聚苯胺/膨润土复合材料2.2份、四氧化三锰0.6份、玻化 微珠0.4份、十二水硫酸铝钾0.5份、聚磷酸钠0.5份按顺序加入搅拌锅内， 在水泥净浆搅拌机上以325r/min的速度搅拌13min，得到混合均匀的混合物；
S2、将步骤S1得到的混合物倒入模具内制样，将模具放至水泥胶砂振动 台上振动，至材料表面平整成型为止；
S3、将成型后的模具放入养护箱养护24小时后脱模，然后在20±2℃、 相对湿度100％的环境中养护28天。
对比例1：
将聚苯胺/膨润土复合材料替换为等量的膨润土和聚苯胺，其他实验条件 同实施例3。
对比例2：
去除助剂，其他实验条件同实施例3。
对比例3：
去除聚苯胺/膨润土复合材料、助剂，其他实验条件同实施例3。
通过实施例1～5和对比例1～3的方法得到最终成型的40mm×40mm× 140mm导电水泥试样，为便于后期测试，同一实验制作3个试样为一组。采 用直流四端电极法对各试样的电阻率进行测量。利用水泥压折试验机，先对 试样进行抗折强度测试，折断后每截再进行抗压强度测试。每组试样测3次， 实验数据取3次测量的平均值，实验数据如表1所示。
表1
由表1数据可知，本发明的导电混凝土具有电阻率低、机械强度高的优 点。对比例1中将聚苯胺/膨润土复合材料替换为等量的膨润土和聚苯胺，对 比例2去除助剂，对比例3去除聚苯胺/膨润土复合材料和助剂，导电混凝土 的电阻率、抗压强度、抗折强度均有明显下降；并且本发明的方法将所有原 料一次投入搅拌，未加入额外的分散剂，石墨和不锈钢纤维可分散均匀、不 团聚，制得的导电混凝土导电性和力学强度优良。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限 制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的 技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或 者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的 任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种杆塔接地用导电混凝土，其特征在于，包括如下重量份的原料：水泥100～150份、集料100～150份、水50～120份、石墨40～65份、不锈钢纤维2～8份、聚苯胺/膨润土复合材料1～5份、助剂0.5～3份。
2.如权利要求1所述的杆塔接地用导电混凝土，其特征在于，包括如下重量份的原料：水泥120～135份、集料120～135份、水80～100份、石墨50～58份、不锈钢纤维4～6份、聚苯胺/膨润土复合材料2.5～4.2份、助剂1.5～2份。
3.如权利要求1所述的杆塔接地用导电混凝土，其特征在于，所述集料为砂或细石；和/或所述水泥采用P.O52.5普通硅酸盐水泥。
4.如权利要求1所述的杆塔接地用导电混凝土，其特征在于，所述石墨为500目石墨粉，含碳量大于99％。
5.如权利要求1所述的杆塔接地用导电混凝土，其特征在于，所述不锈钢纤维为直径0.03～0.05mm，6～15mm的长条。
6.如权利要求1所述的杆塔接地用导电混凝土，其特征在于，所述助剂包括四氧化三锰、玻化微珠和十二水硫酸铝钾，还包括磷酸盐或聚磷酸盐。
7.如权利要求6所述的杆塔接地用导电混凝土，其特征在于，所述四氧化三锰为三维多孔四氧化三锰，四氧化三锰：玻化微珠：十二水硫酸铝钾：磷酸盐或聚磷酸盐的质量比＝1：0.5～2：0.8～1.5：0.8～1.5。
8.一种杆塔接地用导电混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按重量份配比将水泥、集料、水、石墨、不锈钢纤维、聚苯胺/膨润土复合材料、助剂按顺序加入搅拌锅内，在水泥净浆搅拌机上充分搅拌后得到混合均匀的混合物；
S2、将步骤S1得到的混合物倒入模具内制样，将模具放至水泥胶砂振动台上振动，至材料表面平整成型为止；
S3、将成型后的模具放入养护箱养护24小时后脱模，然后标准养护28天。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述聚苯胺/膨润土复合材料的制备方法如下：
按质量比5：1称取膨润土和十六烷基三甲基溴化铵，溶解在蒸馏水中，在80℃下静止浸泡72h，过滤后在60℃下干燥处理，研磨过筛；
配制2mol/L的盐酸溶液和2mol/L的过硫酸铵溶液，称取定量的经上述有机化处理的膨润土，加入三口烧瓶中，往三口烧瓶中通入氮气，依次加入苯胺、盐酸溶液，在10～20℃磁力搅拌下滴加过硫酸铵，控制苯胺：盐酸：过硫酸铵的摩尔比＝1：0.5：1，反应结束后，将得到的墨绿色混合液用蒸馏水洗涤直至滤液变为无色，过滤；将过滤得到的粉末在60℃下干燥48h，放入研钵研磨成细粉，即得聚苯胺/膨润土复合材料。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中搅拌速度为300～330r/min，搅拌时间为12～20min；和/或步骤S3中所述标准养护为在20±2℃、相对湿度≥95％的环境中养护28天。
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