CN111393098A - 一种导电发热高强水泥基复合纤维材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导电发热高强水泥基复合纤维材料及其制备方法，属于导电发热材料技术领域。该导电发热高强水泥基复合纤维材料主要成分如下：强度不低于32.5MPa的水泥300～500份，平均粒径5～30μm的掺合料260～400份，平均粒径0.15～4.75mm的细骨料600～1000份，石墨粉10～30份，长度12～14mm的碳纤维1～5份，炭黑粉10～20份，钢纤维60～90份，亲水性聚合物粉体2～4份，高性能外加剂15～25份，水胶比0.16～0.2。本发明技术方案制备的导电发热高强水泥基复合纤维材料具有电阻率低、力学性能好、耐久性能好、应用范围广等特点，适合导电发热材料的发展与应用。

Description

一种导电发热高强水泥基复合纤维材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及导电发热混凝土技术领域，更具体地，涉及一种导电发热高强水泥基复合纤维材料及其制备方法。
背景技术
混凝土是一种用量最大、用途最广的建筑材料，人们已对它的强度、耐久性、变形等力学方面的主要性能进行了较细致的研究，而它的电学性能一般与力学性能并无多大关系，因此也就未被人们所重视。
普通混凝土的电阻率一般在103～105Ω.m范围内，既不属于绝缘体，也不属于良导体。导电混凝土是在普通混凝土中添加一定含量的导电组分材料，由胶凝材料、导电材料、介电骨料和水等组分，按照一定配合比混合凝结而成的新型水泥基复合材料，具有一定的的电性能和力学性能的新型混凝土。导电混凝土既有结构材料的特点，又具有导电性特性，使得混凝土不仅作为一种结构材料使用，而且利用导电产生的热效应进行环境加热、建筑采暖以及道路和机场的融冰化雪等应用。
目前，导电混凝土主要有两点不足，第一点：发热的速率与接入的电压成正比，如果电极端接入的电压在人的安全电压(36V)之内，发热的速率过慢；如果电极端接入的电压过大，虽然可以提高发热速率，但是会威胁行人的安全，从而构成了安全隐患。第二点：用于配制导电发热混凝土的混凝土材料通常采用普通混凝土，力学性能较低，不能满足抢建工程需要，其导电性能也是以牺牲其强度为代价来实现的。例如公开号为CN101121582A的中国专利文献公开了一种压敏水泥基复合材料(能够通过电阻率的变化感知自身的应力、应变、损伤和温度)，由水泥基材料和功能组分(镍粉或者镍粉与碳纤维、炭黑、石墨、钢渣中一种或几种的混合物)组成，其中功能组分占总重量的1～80％。该压敏水泥基复合材料成本高，力学性能差。公开号为CN106673566A中国专利文献公开了一种复合型导电砂浆，材料组分包括：水泥20～35份、粉煤灰5～10份、导电材料1～5份、石英砂20～50份、助剂1～5份、水15～35份。改复合型导电砂浆水胶比大，力学性能差。
针对以上现状，开发一种力学性能好、发热速率大、传导面积大、无熔点、耐腐蚀性能好、受热变形小、接入电压较小、相对安全、使用寿命长、成本低的导电发热高强水泥基复合纤维材料，具有工程实用价值，市场前景非常广阔。
发明内容
有鉴于此，本发明为克服上述现有技术所述的至少一种不足，提供一种力学性能好、发热速率大、传导面积大、无熔点、耐腐蚀性能好、受热变形小、接入电压较小、相对安全、使用寿命长、成本低的导电发热高强水泥基复合纤维材料及其制备方法。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种导电发热高强水泥基复合纤维材料，包括以下重量份数的原料：
强度不低于32.5MPa的水泥300～500份；
平均粒径5～30μm的掺合料260～400份；
平均粒径0.15～4.75mm的细骨料600～1000份；
石墨粉10～30份；
长度12～14mm的碳纤维1～5份；
炭黑粉10～20份；
钢纤维60～90份；
亲水性聚合物粉体2～4份；
高性能外加剂15～25份；
水胶比0.16～0.2。
所述导电发热高强水泥基复合纤维材料抗压强度不低于100Mpa、抗折强度不低于15Mpa、电阻率不高于10Ω.m、温升速率大于20℃/h。
所述钢纤维为端钩钢纤维和镀铜钢纤维的组合，端钩钢纤维的长度为25～60mm、直径为0.25～0.75mm，镀铜钢纤维的长度为15～25mm、直径为0.1～0.25mm，端钩钢纤维与镀铜钢纤维的质量百分比为20％～70％:30％～80％，在本发明中起增强力学性能和降低电阻率、提高导电性能的作用。
本发明还添加上述配比的石墨粉、碳纤维、炭黑粉，可提高导电性能。
所述掺合料为硅灰、矿粉、粉煤灰、陶瓷抛光粉、钢渣粉中的一种或多种组合。
所述掺合料包括如下重量百分比的原料：硅灰0～100％、矿粉0～70％、粉煤灰0～50％、陶瓷抛光粉0～60％、钢渣粉0～80％。
所述细骨料为河砂、石英砂或机制砂中的一种或多种组合，在本发明中起骨架支撑作用。
所述亲水性聚合物粉体为聚丙烯酸盐、羟丙基甲基纤维素醚或其衍生物，亲水性聚合物粉体的选择依据在于吸水率高、环保，提高导电性能。
所述高性能外加剂为聚羧酸系减水剂或氨基羧酸系减水剂。
优选地，所述导电发热高强水泥基复合纤维材料包括以下重量份数的原料：
强度不低于32.5MPa的水泥350～450份；
平均粒径5～30μm的掺合料295～365份；
平均粒径0.15～4.75mm的细骨料700～900份；
石墨粉15～25份；
长度12～14mm的碳纤维2～4份；
炭黑粉12.5～17.5份；
钢纤维70～80份；
亲水性聚合物粉体2.5～3.5份；
高性能外加剂17.5～22.5份；
水胶比0.17～0.19。
更优选地，所述导电发热高强水泥基复合纤维材料包括以下重量份数的原料：
强度不低于32.5MPa的水泥400份；
平均粒径5～30μm的掺合料330份；
平均粒径0.15～4.75mm的细骨料800份；
石墨粉20份；
长度12-14mm的碳纤维3份；
炭黑粉15份；
钢纤维75份；
亲水性聚合物粉体3份；
高性能外加剂20份；
水胶比0.18。
上述导电发热高强水泥基复合纤维材料的制备方法包括如下步骤：
S1.按照配合比计算各原料用量，将细骨料、钢纤维及40％的水预先搅拌1～2分钟，得预湿的骨料；
S2.将全部水泥、掺合料、石墨粉、炭黑粉加入到步骤S1所得预湿的骨料中，搅拌1～2分钟，然后加入全部高性能外加剂和剩余的60％水，充分搅拌2～3分钟，得均匀混合物；
S3.将碳纤维、亲水性聚合物粉体加入到步骤S2所得均匀混合物中，充分搅拌1～2分钟，得到导电发热高强水泥基复合纤维材料拌合物；
S4.将步骤S3制得的导电发热高强水泥基复合纤维材料拌合物浇筑后，在室温下养护24小时，再进行加热升温至80～90℃，恒温养护24小时即可得到力学性能好、导电性能好的导电发热高强水泥基复合纤维材料。
本发明与现有技术相比较有如下有益效果：
(1)本发明的导电发热高强水泥基复合纤维材料力学性能好、发热速率大、传导面积大、无熔点、耐腐蚀性能好、受热变形小、接入电压较小、相对安全、使用寿命长、成本低、耐久性能好、应用范围广，适合导电发热材料的发展与应用。
(2)本发明的导电发热高强水泥基复合纤维材料抗压强度不低于100Mpa、抗折强度不低于15Mpa、电阻率不高于10Ω.m、温升速率大于20℃/h。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
一种导电发热高强水泥基复合纤维材料，包括以下重量份数的原料：
强度不低于32.5MPa的水泥300份；
平均粒径5～30μm的掺合料260份；
平均粒径0.15～4.75mm的细骨料600份；
石墨粉10份；
长度12-14mm的碳纤维1份；
炭黑粉10份；
钢纤维60份；
亲水性聚合物粉体2份；
高性能外加剂15份；
水胶比0.16。
其中，所述掺合料包括如下重量百分比的原料：硅灰28％、矿粉19％、粉煤灰14％、陶瓷抛光粉17％、钢渣粉22％；所述细骨料为河砂、石英砂或机制砂的组合；所述钢纤维为端钩钢纤维和镀铜钢纤维的组合，端钩钢纤维的长度为25～60mm、直径为0.25～0.75mm，镀铜钢纤维的长度为15～25mm、直径为0.1～0.25mm，端钩钢纤维与镀铜钢纤维的质量百分比为45％:55％；所述亲水性聚合物粉体为聚丙烯酸盐、羟丙基甲基纤维素醚及其衍生物；所述高性能外加剂为聚羧酸系减水剂或氨基羧酸系减水剂。。
上述导电发热高强水泥基复合纤维材料的制备方法包括如下步骤：
S1.按照配合比计算各原料用量，将细骨料、钢纤维及40％的水预先搅拌1～2分钟，得预湿的骨料；
S2.将全部水泥、掺合料、石墨粉、炭黑粉加入到步骤S1所得预湿的骨料中，搅拌1～2分钟，然后加入全部高性能外加剂和剩余的60％水，充分搅拌2～3分钟，得均匀混合物；
S3.将碳纤维、亲水性聚合物粉体加入到步骤S2所得均匀混合物中，充分搅拌1～2分钟，得到导电发热高强水泥基复合纤维材料拌合物；
S4.将步骤S3制得的导电发热高强水泥基复合纤维材料拌合物浇筑后，在室温下养护24小时，再进行加热升温至80～90℃，恒温养护24小时即可得到力学性能好、导电性能好的导电发热高强水泥基复合纤维材料。
实施例2
除导电发热高强水泥基复合纤维材料的配方不同外，其他条件同实施例1。导电发热高强水泥基复合纤维材料包括以下重量份数的原料：
强度不低于32.5MPa的水泥500份；
平均粒径5～30μm的掺合料400份；
平均粒径0.15～4.75mm的细骨料1000份；
石墨粉30份；
长度12～14mm的碳纤维5份；
炭黑粉20份；
钢纤维90份；
亲水性聚合物粉体4份；
高性能外加剂25份；
水胶比0.2。
其中，所述掺合料为硅灰；所述细骨料为河砂、石英砂或机制砂的组合；所述钢纤维为端钩钢纤维和镀铜钢纤维的组合，端钩钢纤维的长度为25～60mm、直径为0.25～0.75mm，镀铜钢纤维的长度为15～25mm、直径为0.1～0.25mm，端钩钢纤维与镀铜钢纤维的质量百分比为20％:80％；所述亲水性聚合物粉体为聚丙烯酸盐、羟丙基甲基纤维素醚及其衍生物；所述高性能外加剂为聚羧酸系减水剂或氨基羧酸系减水剂。。
实施例3
除导电发热高强水泥基复合纤维材料的配方不同外，其他条件同实施例1。导电发热高强水泥基复合纤维材料包括以下重量份数的原料：
强度不低于32.5MPa的水泥350份；
平均粒径5～30μm的掺合料295份；
平均粒径0.15～4.75mm的细骨料700份；
石墨粉15份；
长度12-14mm的碳纤维2份；
炭黑粉12.5份；
钢纤维70份；
亲水性聚合物粉体2.5份；
高性能外加剂17.5份；
水胶比0.17。
其中，所述掺合料包括如下重量百分比的原料：矿粉33％、粉煤灰25％、钢渣粉40％；所述细骨料为河砂、石英砂或机制砂的组合；所述钢纤维为端钩钢纤维和镀铜钢纤维的组合，端钩钢纤维的长度为25～60mm、直径为0.25～0.75mm，镀铜钢纤维的长度为15～25mm、直径为0.1～0.25mm，端钩钢纤维与镀铜钢纤维的质量百分比为70％:30％；所述亲水性聚合物粉体为聚丙烯酸盐、羟丙基甲基纤维素醚及其衍生物；所述高性能外加剂为聚羧酸系减水剂或氨基羧酸系减水剂。。
实施例4
除导电发热高强水泥基复合纤维材料的配方不同外，其他条件同实施例1。导电发热高强水泥基复合纤维材料包括以下重量份数的原料：
强度不低于32.5MPa的水泥450份；
平均粒径5～30μm的掺合料365份；
平均粒径0.15～4.75mm的细骨料900份；
石墨粉25份；
长度12-14mm的碳纤维4份；
炭黑粉17.5份；
钢纤维80份；
亲水性聚合物粉体3.5份；
高性能外加剂22.5份；
水胶比0.19。
实施例5
除导电发热高强水泥基复合纤维材料的配方不同外，其他条件同实施例1。导电发热高强水泥基复合纤维材料包括以下重量份数的原料：
强度不低于32.5MPa的水泥400份；
平均粒径5～30μm的掺合料330份；
平均粒径0.15～4.75mm的细骨料800份；
石墨粉20份；
长度12-14mm的碳纤维3份；
炭黑粉15份；
钢纤维75份；
亲水性聚合物粉体3份；
高性能外加剂20份；
水胶比0.18。
对比例1
除了石墨粉2份外，其他条件同实施例1。
对比例2
除了碳纤维0份外，其他条件同实施例1。
对比例3
除了钢纤维10份外，其他条件同实施例1。
对比例4
除了石墨粉60份外，其他条件同实施例1。
采用实施例1～5、对比例1～4制得的导电发热高强水泥基复合纤维材料制作混凝土标准试件，对混凝土标准试件进行力学性能、导电发热性能测试，实验数据见下表：
表1材料性能检测结果
Figure BDA0002413329210000071
从表1来看，对比例1石墨粉2份，与实施例1对比，抗压强度和抗折强度略有增长，电阻率增加较多，温升速率下降较多；对比例2碳纤维0份，与实施例1对比，抗压强度和抗折强度基本没变化，电阻率增加较多，温升速率下降较多；对比例3钢纤维10份，与实施例1对比，抗压强度、抗折强度和温升速率均下降较多，电阻率增加较多；对比例4石墨粉60份，与实施例1对比，抗压强度和抗折强度下降较多，电阻率和温升速率基本没变化。通过大量试验，在本发明所选取的石墨粉、碳纤维、钢纤维为最优。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导电发热高强水泥基复合纤维材料，其特征在于，包括以下重量份数的原料：
强度不低于32.5MPa的水泥300～500份；
平均粒径5～30μm的掺合料260～400份；
平均粒径0.15～4.75mm的细骨料600～1000份；
石墨粉10～30份；
长度12～14mm的碳纤维1～5份；
炭黑粉10～20份；
钢纤维60～90份；
亲水性聚合物粉体2～4份；
高性能外加剂15～25份；
水胶比0.16～0.2。
2.根据权利要求1所述的导电发热高强水泥基复合纤维材料，其特征在于，包括以下重量份数的原料：
强度不低于32.5MPa的水泥350～450份；
平均粒径5～30μm的掺合料295～365份；
平均粒径0.15～4.75mm的细骨料700～900份；
石墨粉15～25份；
长度12～14mm的碳纤维2～4份；
炭黑粉12.5～17.5份；
钢纤维70～80份；
亲水性聚合物粉体2.5～3.5份；
高性能外加剂17.5～22.5份；
水胶比0.17～0.19。
3.根据权利要求2所述的导电发热高强水泥基复合纤维材料，其特征在于，包括以下重量份数的原料：
强度不低于32.5MPa的水泥400份；
平均粒径5～30μm的掺合料330份；
平均粒径0.15～4.75mm的细骨料800份；
石墨粉20份；
长度12-14mm的碳纤维3份；
炭黑粉15份；
钢纤维75份；
亲水性聚合物粉体3份；
高性能外加剂20份；
水胶比0.18。
4.根据权利要求1～3任一项所述的导电发热高强水泥基复合纤维材料，其特征在于，所述导电发热高强水泥基复合纤维材料抗压强度不低于100Mpa、抗折强度不低于15Mpa、电阻率不高于10Ω.m、温升速率大于20℃/h。
5.根据权利要求4所述的导电发热高强水泥基复合纤维材料，其特征在于，所述掺合料为硅灰、矿粉、粉煤灰、陶瓷抛光粉、钢渣粉中的一种或多种组合；所述掺合料包括如下重量百分比的原料：硅灰0～100％、矿粉0～70％、粉煤灰0～50％、陶瓷抛光粉0～60％、钢渣粉0～80％。
6.根据权利要求4所述的导电发热高强水泥基复合纤维材料，其特征在于，所述细骨料为河砂、石英砂或机制砂中的一种或多种组合。
7.根据权利要求4所述的导电发热高强水泥基复合纤维材料，其特征在于，所述钢纤维为端钩钢纤维和镀铜钢纤维的组合，端钩钢纤维的长度为25～60mm、直径为0.25～0.75mm，镀铜钢纤维的长度为15～25mm、直径为0.1～0.25mm，端钩钢纤维与镀铜钢纤维的质量百分比为20％～70％:30％～80％。
8.根据权利要求4所述的导电发热高强水泥基复合纤维材料，其特征在于，所述亲水性聚合物粉体为聚丙烯酸盐、羟丙基甲基纤维素醚或其衍生物。
9.根据权利要求4所述的导电发热高强水泥基复合纤维材料，其特征在于，所述高性能外加剂为聚羧酸系减水剂或氨基羧酸系减水剂。
10.一种如权利要求1～9任一项所述导电发热高强水泥基复合纤维材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.按照配合比计算各原料用量，将细骨料、钢纤维及40％的水预先搅拌1～2分钟，得预湿的骨料；
S2.将全部水泥、掺合料、石墨粉、炭黑粉加入到步骤S1所得预湿的骨料中，搅拌1～2分钟，然后加入全部高性能外加剂和剩余的60％水，充分搅拌2～3分钟，得均匀混合物；
S3.将碳纤维、亲水性聚合物粉体加入到步骤S2所得均匀混合物中，充分搅拌1～2分钟，得到导电发热高强水泥基复合纤维材料拌合物；
S4.将步骤S3制得的导电发热高强水泥基复合纤维材料拌合物浇筑后，在室温下养护24小时，再进行加热升温至80～90℃，恒温养护24小时即可得到力学性能好、导电性能好的导电发热高强水泥基复合纤维材料。
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