CN112437762A - 新拌混凝土组合物用于包封地下电缆的用途 - Google Patents

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Abstract

新拌混凝土组合物用于包封地下电缆的用途，所述新拌混凝土组合物包含糊剂，所述糊剂包含水硬性粘结剂、矿物添加剂和水，所述糊剂存在于具有沙和集料的混合物中，其特征在于所述糊剂以<320 L/m3的体积存在于所述混凝土组合物中和/或所述糊剂的固体体积分数>50体积%。

Description

新拌混凝土组合物用于包封地下电缆的用途
本发明涉及新拌混凝土组合物用于包封地下电缆的用途，所述新拌混凝土组合物包含糊剂，所述糊剂包含水硬性粘结剂、矿物添加剂和水，所述糊剂存在于具有沙和集料的混合物中。
此外，本发明涉及用于包封地下电缆的方法，所述方法包括以下步骤：提供本发明的新拌混凝土组合物，并放置所述新拌混凝土组合物以用其包封所述地下电缆。
对于铜基电缆或较便宜的铝基电缆两者，地下电缆正变得越来越流行。该方法具有与美学和保护景观以及在恶劣天气条件下增加供电网络的保护水平有关的若干优点。
埋设电缆带来一些技术挑战，主要的一个挑战是散热。实际上，尤其是在高压电缆的情况下，由电缆产生的热可能是显著的。在区域性电缆的情况下，围绕电缆的大体积移动空气能够有效地消散该热。在地下电缆的情况下，热必须允许被消散，因为热的积累将导致围绕电缆的结构的物理退化。
目前有几种方法用于电缆的地下安装。最简单的在于电缆的直接埋设。其中电缆直接铺设在地沟中并被土壤覆盖的该方法实施起来容易且便宜。然而，电缆不能被任何外壳很好地保护，并且热可能不能充分地消散。该方法适用于低压电缆。称为半直接埋设的另一种方法在于将电缆包封在通常由高密度聚乙烯(HDPE)制成的柔性塑料导管中。该方法增加地下电缆的保护水平，但是不适合于高压电缆，因为物理保护水平低并且因为过量的热不能充分地消散。
另一种方法是将电缆包封在混凝土中，混凝土完全围绕电缆。混凝土通过改变其组成，具有作为非常通用的材料的优点，因为它可以提供优异的物理保护和/或能够实现良好的散热。
混凝土是使用非常广泛的建筑材料，具有高的极限强度和优异的耐久性。此外，材料在其新拌状态下能够流动，使得其能够在固化和硬化实际发生之前容易地运输、泵送和放置。除了集料和水之外，它还含有水硬性粘结剂(如波特兰水泥)，其通过与水接触而凝固和固化来产生强度形成相。因此，基于波特兰水泥熟料的混凝土是世界上最重要的粘结剂之一。
对于与地下电缆(尤其是高压电缆)相关的应用，围绕材料的热阻率(以m·K/W表示)或热导率(以W/m·K表示)是非常重要的。较高热阻率的电缆围绕材料防止热从电缆散发到围绕的地面。目前对此的可能补救是使用较大直径的电缆，其产生较少的热，因为它们具有较低的电阻率。然而，这样的电缆的成本显著更高。较低热阻率的电缆围绕材料将允许使用较低成本或较小横截面的电缆。这意味着电缆需要较少量的原材料、较低的运输成本和更直接的电缆铺设。
用混凝土包封地下电缆可以以两种方式完成：
—新拌混凝土用于直接围绕电缆，或
—新拌混凝土用于围绕放置在塑料(如PVC)管中的电缆。
在新拌混凝土用于直接围绕电缆的情况下，优选混凝土是可挖掘的，这意味着其最终抗压强度小于6 MPa，更优选小于3 MPa。
在新拌混凝土用于围绕放置在塑料管中的电缆的情况下，可以使用较高抗压强度混凝土，例如在28天时至少20 MPa。
EP 774446 A1公开了用于围绕高压电缆的低热阻率水泥浆。该水泥浆包含水泥、水、膨润土和白云石的混合物。后面的组分特别有利于降低水泥浆的热阻率。如实例所示，该技术能够生产7天后的热导率分别为1.21和1.24 W/K.m，对应于热阻率分别为0.83和0.81 m.K/W的水泥浆。
WO 2016/180999 A1公开了例如在建筑物的地热基础中有用的结构混凝土和灰浆。组合物包含3-6种组分，并且低热阻率主要是由于存在含碳组分，例如天然或合成石墨、石墨烯和/或碳纳米管。
EP 3223380 A1公开了用于电缆的电缆围绕材料，其包含含碳材料(如石墨石油焦)、沙和水泥的混合物。含碳材料用于降低材料的热阻率，并且以电缆围绕材料的60重量%-80重量%之间的含量使用。在EP 3223380 A1中公开的电缆围绕材料在干燥状态下的热阻率在0.35-0.45 m.K/W之间。
在所有这些实施方案中，用于围绕电缆的材料含有充分降低材料的热阻率所需的另外的组分。这相当显著地增加材料的成本，并且造成与材料来源相关的另外的问题。因此，需要具有低热阻率并且不需要使用特殊的富碳组分的电缆围绕材料。
本发明的目的是提供电缆围绕材料，其不需要使用任何富碳材料，同时为围绕的中压到高压地下电缆提供足够低的热阻率值。
为了达到该目的，本发明提供新拌混凝土组合物用于包封地下电缆的用途，所述新拌混凝土组合物包含糊剂，所述糊剂包含水硬性粘结剂、矿物添加剂和水，所述糊剂存在于具有沙和集料的混合物中，其中所述糊剂以<320 L/m3的体积存在于所述新拌混凝土组合物中和/或所述糊剂的固体体积分数>50体积%。
使新拌混凝土组合物中的糊剂体积最小化和使糊剂的固体体积分数最大化各自导致新拌混凝土组合物的固体体积分数的总含量增加，从而降低水含量。特别地，本发明的新拌混凝土组合物使未被水合反应消耗的过量水的量最小化，否则一旦硬化和干燥，过量水可能导致混凝土中存在微孔。
特别地，已经发现选择新拌混凝土组合物中的糊剂体积低于320 L/m3或选择糊剂的固体体积分数高于50体积%导致一旦硬化和干燥，混凝土的足够低的热阻率，并且特别是导致低于0.7 m.K/W，特别是低于0.6 m.K/W的热阻率。如果两种手段同时进行，即在新拌混凝土组合物中的糊剂体积保持低于320 L/m3并且选择糊剂的固体体积分数高于50体积%，则可以实现甚至更好的结果。
通过本发明，可以避免在混凝土组合物中用于降低围绕材料的热阻率的含碳添加剂的存在。
糊剂的固体体积分数指定糊剂中所有固体分数的体积含量，其中固体分数包含水硬性粘结剂和一种或多种矿物添加剂，例如石灰石填料、石英细粉和/或赤铁矿填料，但不包括沙和集料，因为这些后面的组分不形成糊剂的一部分。用于计算固体体积分数的水硬性粘结剂和矿物添加剂的最大粒径为0.25 mm。
根据优选的实施方案，糊剂以<300 L/m3，优选<280 L/m3，更优选<250 L/m3的体积存在于所述新拌混凝土组合物中。
如果糊剂以<300 L/m3的体积存在于所述新拌混凝土组合物中，则糊剂的固体体积分数的下限可以降低至45体积%。
在任何情况下，使糊剂的固体体积分数最大化将导致特别低的热阻率，其中优选的实施方案提供糊剂的固体体积分数>55体积%，优选>60体积%。
关于组合物的降低的水含量，本发明的优选的实施方案提供水以<170 L/m3，优选<140 L/m3，更优选<125 L/m3，特别是<100 L/m3的体积存在于所述新拌混凝土组合物中。
因此，在本发明的一个单独的方面，新拌混凝土组合物用于包封地下电缆，其包含糊剂，所述糊剂包含水硬性粘结剂、矿物添加剂和水，所述糊存在于具有沙和集料的混合物中，其中水以<170 L/m3，优选<140 L/m3，更优选<125 L/m3，特别是<100 L/m3的体积存在于所述新拌混凝土组合物中。
低含水量降低新拌混凝土的可加工性。为了改进新拌混凝土物质的可加工性，混合物可以优选包含减水剂，特别是增塑剂或超增塑剂，例如聚羧酸盐基减水剂或聚萘磺酸盐基减水剂。减水剂是配制产品，最通常为液体形式，其允许对于给定的可加工性降低混合水的量或对于给定的水/粘结剂比率增加流动性。通过减水剂的实例的方式，可以提及木素磺酸盐、羟基羧酸、碳水化合物和其它特定的有机化合物，例如甘油、聚乙烯醇、铝-甲基-硅酸钠、磺胺酸和酪蛋白。
减水剂通常为液体形式，并且是固体含量或干提取物在15-40重量%之间的水性制剂。
超增塑剂属于新型减水剂，并且对于给定的可加工性，允许将混合水的量降低约30重量%。通过超增塑剂的实例的方式，可以注意到PCP超增塑剂。术语“PCP”或“聚氧聚羧酸盐”根据本发明应理解为丙烯酸或甲基丙烯酸及其聚氧乙烯(POE)酯的共聚物。
优选地，组合物包含1.5-12 kg液体形式的减水剂、增塑剂或超增塑剂/m3所述新拌混凝土组合物。
如可挖掘的混凝土的情况，新拌混凝土组合物中的水硬性粘结剂的低含量可能带来新拌混凝土混合物中的一些组分分离的风险。为了防止分离，混合物可以优选包含粘度调节剂，例如高分子量胶。
本文所用的术语新拌混凝土指定在混凝土成分开始固化之前，混凝土成分的湿混合物。换句话说，新拌混凝土是其中混凝土可以模塑并且处于其塑性状态的混凝土的阶段。
根据本发明的优选的实施方案，水硬性粘结剂包含波特兰水泥。优选地，可以使用CEM I、CEM II、CEM III、CEM IV或CEM V型水泥。优选地，水硬性粘结剂是CEM I、CEM II或CEM III型水泥。更优选地，水硬性粘结剂是包含>95重量%的波特兰水泥的水泥。
2012年4月的European norm EN 197-1定义了五类包含波特兰水泥作为主要成分的常见水泥。
—CEM I (波特兰水泥)，其包含波特兰水泥和至多5重量%的次要另外的成分，
—CEM II (硅酸盐-复合水泥)，其包含波特兰水泥和至多35重量%的其它单一成分，
—CEM III (高炉水泥)，其包含波特兰水泥和较高百分比的高炉炉渣，
—CEM IV (火山灰水泥)，其包含波特兰水泥和至多55重量%的火山灰成分，
—CEM V (复合水泥)，其包含波特兰水泥、高炉炉渣或粉煤灰和火山灰。
或者，本发明中使用的水硬性粘结剂是通过将波特兰水泥与矿物组分(如磨碎的炉渣、粉煤灰、磨碎的石灰石或火山灰成分或其混合物)混合而制备的水泥。例如，可以在制备混凝土的同时进行波特兰水泥和矿物组分的混合步骤。
本发明涉及围绕电缆的可挖掘的混凝土材料，以及用于包封放置在塑料管中的电缆的非可挖掘的混凝土材料两者。可挖掘的混凝土的特征在于混凝土的28天抗压强度为1.0-5.0 MPa。非可挖掘的混凝土的特征在于混凝土的28天抗压强度>20 MPa。
为了获得可挖掘的混凝土，水硬性粘结剂(特别是波特兰水泥)优选以15-40 kg/m3的量存在于新拌混凝土组合物中。
为了获得非可挖掘的混凝土，水硬性粘结剂(特别是波特兰水泥)优选以150-500kg/m3的量存在于新拌混凝土组合物中。
为了使混凝土的糊剂体积最小化，可以使集料骨架堆积密度最大化。优选地，选择集料的骨架堆积密度>0.69，优选>0.71。
使集料的骨架密度最大化的一种可能的方式是使用天然(因此是圆形的)沙代替人造沙。
为了使糊剂的固体体积分数最大化，在糊剂中可以存在细矿物添加剂。优选地，石灰石填料或硅质填料(细石英和/或石英细粉)或石灰石填料和硅质填料的混合物用作所述矿物添加剂。
优选地，矿物添加剂(特别是石灰石填料)的粒度分布特征在于D50≤10μm，优选5-10μm，和/或D98≤100μm，优选90-100μm。
根据本发明的优选的实施方案，矿物添加剂包含赤铁矿填料。特别地，赤铁矿填料用作所述矿物添加剂。赤铁矿是氧化铁(III) (Fe2O3)的一种矿物形式，并且具有进一步降低混凝土的热阻率的效果。
优选地，使用磁铁矿沙和/或磁铁矿集料。磁铁矿(Fe3O4)也可以用于降低混凝土的热阻率。
本发明提供电缆围绕材料，其具有特别低的热阻率。优选地，一旦硬化和干燥，混凝土的热阻率<0.7 m.K/W，优选<0.6 m.K/W，更优选<0.5 m.K/W，特别是<0.4 m.K/W。
本发明提供新拌混凝土组合物，其允许使用在混凝土工厂中容易获得的普通材料，例如天然或人造沙、石灰/硅质集料、水泥、石灰/硅质填料。特别地，新拌混凝土组合物可以不含热导率>10 W/m·K的材料，优选不含热导率>20 W/m·K的材料，例如含碳组分，例如天然或合成石墨、石墨烯和/或碳纳米管。新拌混凝土组合物也不含纤维或颗粒形式的金属，例如钢或铝。
然而，本发明不排除含碳组分的存在，例如天然或合成石墨、石墨烯和/或碳纳米管，以进一步降低热阻率。
根据其它方面，本发明涉及用于包封地下电缆的方法，所述方法包括以下步骤：提供如权利要求1或任何从属权利要求所述的本发明的新拌混凝土组合物，并放置所述新拌混凝土组合物以用其包封地下电缆。
现在将参考以下实例更详细地描述本发明。
在实例中，根据以下方法混合新拌混凝土组合物。通过ZYCLOS型混合器获得新拌混凝土混合物。整个操作在20℃下进行。制备方法包括以下步骤：
—在T=0秒：将水泥和沙装入碗混合器中并混合7分钟(15 rpm)；
—在T=7分钟：加入水和一半重量的添加剂(超增塑剂)并混合1分钟(15 rpm)；
—在T=8分钟：加入剩余的添加剂(超增塑剂)并混合1分钟(15 rpm)；
—在T=9分钟：混合8分钟(50 rpm)；和
—在T=17分钟：混合1分钟(15 rpm)；
—在T=18分钟：将混凝土倒在模具中的水平面上。
根据以下方法测量新拌混凝土混合物的性能。如在2016年11月公开的标准NF EN206中所述进行混凝土坍落度和强度测量。强度在10cm×10cm×10cm立方体上测量。根据标准IEEE 442，使用Decagon装置(KD2 pro，具有探针RK-1)在混凝土立方体(10cm×10cm×10cm)上测量热阻率，包括干燥状态的定义，将所述混凝土立方体在105℃下干燥至恒定质量，并在干燥器中冷却至室温。
在以下实例中，当材料如上所述干燥时测量热阻率。如果材料仍含有一些游离水，则热阻率将降低。
实施例1
已经制备具有在表1中指示的混合设计的用于可挖掘的混凝土的新拌组合物，并使其硬化和干燥。已经确定混凝土组合物的性能参数并列于表2中。
对实施例的分析允许得出以下结论。
混合设计C02是现有技术混合设计，其中石灰石作为矿物填料材料。
在混合设计C03中，石灰石填料被粉煤灰代替，其中性能测量显示热阻率没有降低，而是增加。
混合设计C04和C05与C02的比较显示，降低新拌混凝土组合物的水含量导致热阻率降低，并且还增加了抗压强度。
混合设计C12和C14的比较揭示，减少糊剂体积(即，水、粘结剂和石灰石填料的体积)降低了热阻率。
混合设计C13和C13B的比较显示碎石类型的效果，其中当与硅质-石灰碎石(源自Saint Bonnet)相比时，使用硅质类型碎石(源自La Gerbaudière)导致降低的热阻率。
混合设计C23和C23B的比较显示沙的类型对热阻率的影响，其中当与人造沙和洗涤沙相比时，天然圆形沙导致降低的热阻率。
确定混合设计C41为参考混合设计，其具有0.47 (m.K)/W的非常低的热阻率。
使用混合设计C41 Sflour，石灰石填料部分地被石英细粉代替，以进一步降低热阻率。
混合设计C41 MAGN显示使用Fe3O4沙和碎石进一步降低了热阻率。
使用混合设计C41 Hema，石灰石填料部分地被Fe2O3填料代替，这进一步降低了热阻率。
混合设计C11和C41的比较显示，通过混合设计优化可以避免使用碳，具体的混凝土混合设计比导电添加剂更重要。
表1：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表2：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
实施例2
已经制备具有在表3-6中指示的混合设计的用于非可挖掘的混凝土的新拌组合物，并使其硬化和干燥。已经确定混凝土组合物的性能参数并还列于表3-6中。
表3：
材料 剂量，kg/m<sup>3</sup>
水泥(CEM I) 220
石灰石填料BL 200 Orgon 281
硅粉 22
洗涤沙0/4 682
天然圆形碎石(5/10) 1051
超增塑剂(Chryso Optima 100) 11
有效水 129
糊剂体积 310 L/m<sup>3</sup>
糊剂固体体积分数(没有空气) 0.59
集料堆积密度 0.68
坍落度 25cm
在干燥状态下的热阻率 0.35 m.K/W
在28天时的抗压强度 60 MPa
表4：
材料 剂量，kg/m<sup>3</sup>
水泥(CEM I) 159
石灰石填料saint Beat 220
硅粉 55.9
超细石灰石填料omyacoat 850 73.1
细沙la sabliére CCSH 132.3
洗涤沙0/4 682
天然圆形碎石(5/20) 1080
超增塑剂(Chryso Optima 100) 11
有效水 127
糊剂体积 309 L/m<sup>3</sup>
糊剂固体体积分数(没有空气) 0.59
坍落度 >25 cm
集料堆积密度 0.71
在干燥状态下的热阻率 0.31 m.K/W
在28天时的抗压强度 70 MPa
表5：
材料 剂量，kg/m<sup>3</sup>
水泥(CEM I) 207
细石灰石填料Betoflow D SL 297
硅粉 39
洗涤沙0/4 687
天然圆形碎石(5/10) 1066
超增塑剂(Chryso Optima 203) 5.4
有效水 105
糊剂体积 298 L/m<sup>3</sup>
糊剂固体体积分数(没有空气) 0.64
坍落度 >25cm
集料堆积密度 0.68
在干燥状态下的热阻率 0.33 m.K/W
在28天时的抗压强度 76 MPa
表6：
材料 剂量，kg/m<sup>3</sup>
水泥(CEM I) 462
硅粉 30
洗涤沙0/4 687
天然圆形碎石(5/10) 1066
超增塑剂(Chryso Optima 203) 4.9
有效水 138
糊剂体积 298 L/m<sup>3</sup>
糊剂固体体积分数(没有空气) 0.54
坍落度 >25cm
集料堆积密度 0.68
在干燥状态下的热阻率 0.4 m.K/W
在28天时的抗压强度 92 MPa

Claims (19)

1.新拌混凝土组合物用于包封地下电缆的用途，所述新拌混凝土组合物包含糊剂，所述糊剂包含水硬性粘结剂、矿物添加剂和水，所述糊剂存在于具有沙和集料的混合物中，其特征在于所述糊剂以<320 L/m3的体积存在于所述新拌混凝土组合物中和/或所述糊剂的固体体积分数>50体积%。
2.权利要求1所述的用途，其中所述糊剂以<300 L/m3，优选<280 L/m3，更优选<250 L/m3的体积存在于所述新拌混凝土组合物中。
3.权利要求1或2所述的用途，其中所述糊剂以<300 L/m3的体积存在于所述新拌混凝土组合物中，并且所述糊剂的固体体积分数>45体积%。
4.权利要求1、2或3所述的用途，其中所述糊剂的固体体积分数>55体积%，优选>60体积%。
5.权利要求1-4中任一项所述的用途，其中水以<170 L/m3，优选<140 L/m3，更优选<125L/m3，特别是<100 L/m3的体积存在于所述新拌混凝土组合物中。
6.权利要求1-5中任一项所述的用途，其中所述新拌混凝土组合物包含1.5-12 kg减水剂、增塑剂或超增塑剂/m3所述新拌混凝土组合物。
7.权利要求1-6中任一项所述的用途，其中波特兰水泥用作所述水硬性粘结剂。
8.权利要求1-7中任一项所述的用途，其中所述水硬性粘结剂，特别是波特兰水泥，以15-40 kg/m3的量存在于所述新拌混凝土组合物中。
9.权利要求1-7中任一项所述的用途，其中所述水硬性粘结剂，特别是波特兰水泥，以150-500 kg/m3的量存在于所述新拌混凝土组合物中。
10.权利要求1-9中任一项所述的用途，其中石灰石填料或硅质填料，例如细石英和/或石英细粉，或石灰石填料和硅质填料的混合物用作所述矿物添加剂。
11.权利要求10所述的用途，其中所述矿物添加剂，特别是石灰石填料，的粒度分布特征在于D50≤10μm，优选5-10μm，和/或D98≤100μm，优选90-100μm。
12.权利要求1-11中任一项所述的用途，其中赤铁矿填料用作所述矿物添加剂。
13.权利要求1-12中任一项所述的用途，其中使用磁铁矿沙和/或磁铁矿集料。
14.权利要求1-13中任一项所述的用途，其中选择所述集料的骨架堆积密度>0.69，优选>0.71。
15.权利要求1-14中任一项所述的用途，其中所述新拌混凝土组合物包含超增塑剂。
16.权利要求1-15中任一项所述的用途，其中在已经放置用于包封地下电缆之后，允许所述新拌混凝土硬化和干燥，其中一旦硬化和干燥，所述混凝土的热阻率<0.7 m.K/W，优选<0.6 m.K/W，更优选<0.5 m.K/W，特别是<0.4 m.K/W。
17.权利要求16所述的用途，其中所述混凝土的28天抗压强度为1.0-5.0 MPa。
18.权利要求16所述的用途，其中所述混凝土的28天抗压强度>20 MPa。
19.权利要求1-18中任一项所述的用途，其中所述混凝土组合物不含热导率>10 W/m.K的材料，优选不含热导率>20 W/m.K的材料。
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