CN114315297A - 一种导电发热混凝土的水泥基材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导电发热混凝土的水泥基材料及其制备方法，涉及无机非金属材料技术领域。该水泥基材料包括以下按质量百分比计的组分：高铁硫铝酸盐水泥熟料：75%~90%；石膏：0%~12%；矿物废渣：5%~15%；碳纤维：0.1%~1.0%；无烟煤：0.2%~5.0%；其中，所述矿物废渣为铜矿渣、硫酸渣和电解锰渣中的一种或多种的组合。本发明通过利用高性能的胶凝材料复合高稳定性低成本的废渣矿物外掺料及导电性能良好的碳纤维，采用机械活化矿物外掺料及简单的分散方式提纤维的分散性能，形成具有良好导电性能的水泥胶凝材料。
Description
技术领域
本发明涉及无机非金属材料技术领域，尤其涉及导电混凝土技术领域，更具体地说涉及一种导电发热混凝土的水泥基材料及其制备方法。
背景技术
常规的水泥混凝土材料是属于绝缘体，电阻率约为107～109，通过添加导电材料，水泥基材料的电阻率可以降到100以下，有良好导电性的水泥基材料具有电热效应、电磁屏蔽效应、压敏效应及温敏效应，可应用于结构智能监测、道路除冰、建筑采暖、电磁屏蔽等领域。
导电水泥基材料的导电途径可以分为两类：（1）导电材料导电：导电相材料均匀分散在基体中，在导电材料相互连接时，形成电子流通通道，从而形成电子导电；当导电材料不相连但间距足够小时，电子和空穴有足够的能量克服势垒，在导电体间发生跃迁，电流得以传导，形成以空穴导电为主的隧道效应。（2）水泥基材导电：基材的导电机理可分为两部分，一是内部孔隙中游离液在电场作用下形成电子流通通道；二是水泥基体中凝胶类物质中的离子导电。
由于导电材料与水泥胶凝材料的电导率差异巨大，目前主要是通过添加导电材料实现水泥基材料导电。
CN108424068A公布了一种导电混凝土材料及其制备方法，其原材料为：硅酸盐水泥200-800份，标准砂500-1600份，分散剂10-25份，石墨炔纳米材料3-8份，拌合水250-350份。首先，将聚氧代乙烯壬基苯基醚作为分散剂与石墨炔纳米材料置于拌合水中溶解，再将其加入硅酸盐水泥中进行搅拌成型制备导电混凝土。
CN103420647A公布了一种复掺导电材料的导电混凝土及其制备方法，主要由水泥20-40份、硅灰0-7份、碳纤维0.25-2份、碳纳米材料(碳纳米管+炭黑+石墨)0-2份、纳米氧化锌0.1-0.5份、减水剂0.02-0.3份、填充料50-150份、分散剂1.5-3.7份、消泡剂0.1-0.3份、水8-21份组成。主要以碳纤维、碳纳米材料、纳米氧化锌作为导电材料。
CN105067164A公布了一种导电水泥基复合材料。原材料包括水泥40～60份、粉煤灰8～15份、水25～35份、减水剂0～2份、静电自组装碳纳米管/纳米炭黑0.5～7份。
CN 112225510A公布了一种导电炭黑复合水泥混凝土，包括以下制备原料：普通硅酸盐水泥380～420份、中砂1300～1500份、水270～310份、导电炭黑Super-P 1～12份。导电炭黑复合水泥沙浆与普通水泥混凝土相比，导电性能提升了三个数量级，显著的提升了水泥混凝土的导电性。
CN 106673566A公布了一种复合型导电混凝土，该发明由硫铝酸盐水泥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份组成。导电材料为石墨、纳米氧化锌粉末、碳纤维多种导电填料组成。
CN 102432239A公布了一种耐腐蚀高强度导电混凝土及其制备方法，该混凝土按重量份计包括以下组分：水泥50-150份，集料50-150份，石墨5-90份，导电纤维1-30份，水40-180份；所述导电纤维为不锈钢纤维和碳纤维中的一种或两种。该混凝土可用于电力系统接地以及电磁屏蔽等，制成接地极可以取代传统的金属接地极。
CN201310078609.6公布了一种具有融雪化冰功能的碳纤维导电混凝土的制备方法，其原料组份包括水泥、短切碳纤维、掺合料、砂、石、水，水灰比为0.55-0.58，水泥、砂、石子分别占混凝土总质量的18%-25%、20%-45%、20%-45%，碳纤维长度7-13mm，为整个混凝土体积的0.6%-2.0%，制备成的碳纤维导电混凝土可以利用其电热效应融雪化冰。
CN201810833107.2公布了一种导电混凝土及其应用该导电混凝土，按照质量份计包括以下组份：钢纤维6.0～6.5份，钢棉2.5～3.0份，硅灰0.8～1.2份，减水剂0.3～0.5份，分散剂0.2份，水泥17～18份，细骨料23.5～24.5份，粗骨料27～28份，水9～10份。
通过上述文献资料可知，目前在水泥基材料中添加的导电材料主要包括两大类：
（1）碳基材料类，包括碳纤维、炭黑、石墨、碳纳米管等，该类材料具有良好的导电性能，但在使用过程中存在两个方面的问题，一是成本高，碳纳米管、纳米炭黑、高性能碳纤维的生产成本高昂，对于制备导电水泥基材料不具有实际意义。二是对水泥基材料的物理性能影响巨大，有研究表明，只有当石墨掺量达到20%时，水泥基材料的电阻率才降到可使用范围，但其抗压强度降低至1MPa,已不具有实际使用功能。
（2）金属类材料，包括钢纤维、钢棉。钢纤维是纤维混凝土常用的增韧材料，有利于提高混凝土的抗拉、抗折性能。但金属制品材料表面在混凝土中会产生钝化、腐蚀现象，导致其导电率下降，最终导致水泥基材料的导电性能下降。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种导电发热混凝土的水泥基材料及其制备方法，本发明的发明目的在于解决现有导电发热混凝土用水泥基材料存在成本高、导电性能不稳定的问题。本发明通过利用高性能的胶凝材料复合高稳定性低成本的废渣矿物外掺料及导电性能良好的碳纤维，采用机械活化矿物外掺料及简单的分散方式提纤维的分散性能，形成具有良好导电性能的水泥胶凝材料。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的。
本发明一方面提供了一种导电发热混凝土的水泥基材料，该水泥基材料包括以下按质量百分比计的组分：
高铁硫铝酸盐水泥熟料：75%~90%；
石膏：0%~12%；
矿物废渣：5%~15%；
碳纤维：0.1%~1.0%；
无烟煤：0.2%~5.0%；
其中，所述矿物废渣为铜矿渣、硫酸渣和电解锰渣中的一种或多种的组合。
在本申请中，主要是通过三个方面来提高水泥基材料自身的导电性能：（1）根据矿物废渣（种类及组分）调整不同的高铁硫铝酸盐水泥成分，作为胶凝材料，该胶凝材料主要矿物有、C2S 和C2F-C6AF2，其中C2F-C6AF2是CaO，Al2O3和Fe2O3在高温条件下形成的连续固溶体，C6AF2的水化产物中有Fe(OH)3、Al(OH)3凝胶相，相对于其他水化产物，Fe(OH)3、Al(OH)3凝胶相具有更低的电阻率，均匀分布在水泥基胶凝材料中时，有利于改善水泥基材料的导电性能；
（2）采用矿物废渣作为外掺料，矿物废渣外掺料中含有丰富的铁的氧化物，并且具有火山灰效应的水泥矿物外掺料，加入水泥中电解锰渣有利于提高水泥基材料的强度性能；此外，提高水泥水化产物中Fe2O3和Mn2O3，电阻率更低；
（3）掺入无烟煤外掺料，无烟煤是一种良好的导电体，属于自由电子导电。通过与高铁硫铝酸盐水泥熟料、（铜矿渣、硫酸渣及电解锰渣）矿物废渣共同粉磨，利用机械活化作用，在粉磨过程中，煤颗粒与其他组分颗粒碰撞挤压，使碳质材料分布的更均匀。
高铁硫铝酸盐水泥熟料矿物具有早期强度高的性能特点，3d抗压强度可达到28d抗压强度值的80%，有效避免了普通硅酸盐水泥基导电发热混凝土用水泥基材料存在的导电率随养护时间的延长而下降的问题，确保水泥导电性能的稳定性，避免在使用过程中出现的发热衰减现象。
进一步的，所述高铁硫铝酸盐水泥熟料中Fe2O3含量为3%~13%，SO3含量5%~12%。
更进一步的，所述高铁硫铝酸盐水泥熟料中矿物组成含量为35%~60%。
进一步的，所述矿物废渣中Fe2O3和Mn2O3的含量＞40%。
所述碳纤维的长度为3mm~20mm，直径5μm~10μm，拉伸强度＞3000MPa，电阻率＜2.0×10-3Ω·cm。
进一步的，所述无烟煤的干基灰分＜15%，固定碳＞75%。
所述石膏为硬石膏、氟石膏或磷石膏中的一种。
本发明第二方面提供了一种导电发热混凝土的水泥基材料的制备方法，该水泥基材料的制备方法包括以下步骤：
将高铁硫铝酸盐水泥熟料、石膏、矿物废渣和无烟煤按照比例配料，经破碎后送入球磨机中进行粉磨至比表面积280~350m2/kg；然后将粉磨后的混合物与碳纤维按照比例混合，通过控制混合时间，使得70%~90%碳纤维长度≥3mm。
进一步的，所述导电发热混凝土的基础材料28d抗压强度≥42.5Mpa。
更进一步的，所述导电发热混凝土的电阻率≤100Ω·cm。
与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
1、本发明采用性能较好的高铁硫铝酸盐水泥熟料，提供水泥的主要强度。通过控制不同的矿物相，调整熟料煅烧过程降低水泥熟料的能耗，控制熟料的粉磨粒度，降低水泥粉磨的单位产能，降低水泥的生产成本，降低基材的成本。
2、通过调整锰渣与铜矿渣掺量，酸性的电解锰渣与高铁硫铝酸盐水泥熟料水化反应生成的Ca(OH)2成石膏，不仅能够激发更迅速的早期水化，而且降低导电发热混凝土用水泥基材料的电导率，更容易与碳纤维形成完整的导电网络结构。
3、通过调整与不同高铝高铁的工业废渣组分的配合工业废渣的火山灰活性增强导电发热混凝土用水泥基材料的后期强度。
4、采用球磨进行机械混合粉磨，增加无烟煤及碳纤维与熟料、石膏混合更加均匀，通过调整球磨机的参数，达到合适的粒径分布及碳纤维的合理长度。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
作为本发明一较佳实施例，本实施例公开了一种导电发热混凝土的水泥基材料，该水泥基材料包括以下按质量百分比计的组分：
高铁硫铝酸盐水泥熟料含量占总重量的80.7%，铜矿渣2%，电解锰渣12.5%，碳纤维0.8%，无烟煤4.0%，其中高铁硫铝酸盐水泥熟料中含量为60%（占熟料质量百分比），Fe2O3含量为13.0%（占熟料质量百分比），SO3含量为12.0%（占熟料质量百分比）；所述矿物废渣中Fe2O3和Mn2O3的含量＞40%；碳纤维的长度为3mm~20mm，直径5μm~10μm，拉伸强度＞3000MPa，电阻率＜2.0×10-3Ω·cm；所述无烟煤的干基灰分＜15%，固定碳＞75%；
将高铁硫铝酸盐水泥熟料、石膏、矿物废渣和无烟煤按照比例配料，经破碎后送入球磨机中进行粉磨至比表面积335m2/kg；然后将粉磨后的混合物与碳纤维重量0.8%（总重的百分比），且保障长度79%＞3mm。如下表1所示：
上表1为实施例1的具体组分配比及性能参数。
实施例2
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种导电发热混凝土的水泥基材料，该水泥基材料包括以下按质量百分比计的组分：
高铁硫铝酸盐水泥熟料含量占总重量的90%，铜矿渣2%，电解锰渣4%，硬石膏2%，碳纤维0.5%，无烟煤2.5%，其中高铁硫铝酸盐水泥熟料中含量为55%（占熟料质量百分比），Fe2O3含量为7.1%（占熟料质量百分比），SO3含量为10.2%（占熟料质量百分比）；所述矿物废渣中Fe2O3和Mn2O3的含量＞40%；碳纤维的长度为3mm~20mm，直径5μm~10μm，拉伸强度＞3000MPa，电阻率＜2.0×10-3Ω·cm；所述无烟煤的干基灰分＜15%，固定碳＞75%；
将高铁硫铝酸盐水泥熟料、石膏、矿物废渣和无烟煤按照比例配料，经破碎后送入球磨机中进行粉磨至比表面积280m2/kg；然后将粉磨后的混合物与碳纤维重量0.5%（总重的百分比），且保障长度86%＞3mm。如下表2所示：
上表2为实施例2的具体组分配比及性能参数。
实施例3
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种导电发热混凝土的水泥基材料，该水泥基材料包括以下按质量百分比计的组分：
高铁硫铝酸盐水泥熟料含量占总重量的75%，铜矿渣3%，电解锰渣6.9%，硬石膏12%，碳纤维0.1%，无烟煤3%，其中高铁硫铝酸盐水泥熟料中含量为60%（占熟料质量百分比），Fe2O3含量为8.4%（占熟料质量百分比），SO3含量为8.5%（占熟料质量百分比）；所述矿物废渣中Fe2O3和Mn2O3的含量＞40%；碳纤维的长度为3mm~20mm，直径5μm~10μm，拉伸强度＞3000MPa，电阻率＜2.0×10-3Ω·cm；所述无烟煤的干基灰分＜15%，固定碳＞75%；
将高铁硫铝酸盐水泥熟料、石膏、矿物废渣和无烟煤按照比例配料，经破碎后送入球磨机中进行粉磨至比表面积350m2/kg；然后将粉磨后的混合物与碳纤维重量0.1%（总重的百分比），且保障长度73%＞3mm。如下表3所示：
上表3为实施例3的具体组分配比及性能参数。
实施例4
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种导电发热混凝土的水泥基材料，该水泥基材料包括以下按质量百分比计的组分：
高铁硫铝酸盐水泥熟料含量占总重量的79.9%，硫酸渣0.4%，电解锰渣4.6%，磷石膏10%，碳纤维0.1%，无烟煤5%，其中高铁硫铝酸盐水泥熟料中含量为35%（占熟料质量百分比），Fe2O3含量为7.4%（占熟料质量百分比），SO3含量为5%（占熟料质量百分比）；所述矿物废渣中Fe2O3和Mn2O3的含量＞40%；碳纤维的长度为3mm~20mm，直径5μm~10μm，拉伸强度＞3000MPa，电阻率＜2.0×10-3Ω·cm；所述无烟煤的干基灰分＜15%，固定碳＞75%；
将高铁硫铝酸盐水泥熟料、石膏、矿物废渣和无烟煤按照比例配料，经破碎后送入球磨机中进行粉磨至比表面积320m2/kg；然后将粉磨后的混合物与碳纤维重量0.1%（总重的百分比），且保障长度88%＞3mm。如下表4所示：
上表4为实施例4的具体组分配比及性能参数。
实施例5
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种导电发热混凝土的水泥基材料，该水泥基材料包括以下按质量百分比计的组分：
高铁硫铝酸盐水泥熟料含量占总重量的83.1%，铜矿渣2.5%，电解锰渣12.5%，磷石膏0.7%，碳纤维1%，无烟煤0.2%，其中高铁硫铝酸盐水泥熟料中含量为60%（占熟料质量百分比），Fe2O3含量为6.4%（占熟料质量百分比），SO3含量为11.5%（占熟料质量百分比）；所述矿物废渣中Fe2O3和Mn2O3的含量＞40%；碳纤维的长度为3mm~20mm，直径5μm~10μm，拉伸强度＞3000MPa，电阻率＜2.0×10-3Ω·cm；所述无烟煤的干基灰分＜15%，固定碳＞75%；
将高铁硫铝酸盐水泥熟料、石膏、矿物废渣和无烟煤按照比例配料，经破碎后送入球磨机中进行粉磨至比表面积350m2/kg；然后将粉磨后的混合物与碳纤维重量1%（总重的百分比），且保障长度71%＞3mm。如下表5所示：
上表5为实施例5的具体组分配比及性能参数。
实施例6
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种导电发热混凝土的水泥基材料，该水泥基材料包括以下按质量百分比计的组分：
高铁硫铝酸盐水泥熟料含量占总重量的78.8%，铜矿渣2%，电解锰渣12.5%，氟石膏1.5%，碳纤维0.2%，无烟煤5%，其中高铁硫铝酸盐水泥熟料中含量为60%（占熟料质量百分比），Fe2O3含量为3%（占熟料质量百分比），SO3含量为11.5%（占熟料质量百分比）；所述矿物废渣中Fe2O3和Mn2O3的含量＞40%；碳纤维的长度为3mm~20mm，直径5μm~10μm，拉伸强度＞3000MPa，电阻率＜2.0×10-3Ω·cm；所述无烟煤的干基灰分＜15%，固定碳＞75%；
将高铁硫铝酸盐水泥熟料、石膏、矿物废渣和无烟煤按照比例配料，经破碎后送入球磨机中进行粉磨至比表面积335m2/kg；然后将粉磨后的混合物与碳纤维重量0.2%（总重的百分比），且保障长度69%＞3mm。如下表6所示：
上表6为实施例6的具体组分配比及性能参数。
Claims (10)
1.一种导电发热混凝土的水泥基材料，其特征在于，该水泥基材料包括以下按质量百分比计的组分：
高铁硫铝酸盐水泥熟料：75%~90%；
石膏：0%~12%；
矿物废渣：5%~15%；
碳纤维：0.1%~1.0%；
无烟煤：0.2%~5.0%；
其中，所述矿物废渣为铜矿渣、硫酸渣和电解锰渣中的一种或多种的组合。
2.如权利要求1所述的一种导电发热混凝土的水泥基材料，其特征在于：所述高铁硫铝酸盐水泥熟料中Fe2O3含量为3%~13%，SO3含量5%~12%。
3.如权利要求2所述的一种导电发热混凝土的水泥基材料，其特征在于：所述高铁硫铝酸盐水泥熟料中矿物组成含量为35%~60%。
4.如权利要求1所述的一种导电发热混凝土的水泥基材料，其特征在于：所述矿物废渣中Fe2O3和Mn2O3的含量＞40%。
5.如权利要求1所述的一种导电发热混凝土的水泥基材料，其特征在于：所述碳纤维的长度为3mm~20mm，直径5μm~10μm，拉伸强度＞3000MPa，电阻率＜2.0×10-3Ω·cm。
6.如权利要求1或2所述的一种导电发热混凝土的水泥基材料，其特征在于：所述无烟煤的干基灰分＜15%，固定碳＞75%。
7.如权利要求1或2所述的一种导电发热混凝土的水泥基材料，其特征在于：所述石膏为硬石膏、氟石膏或磷石膏中的一种。
8.如权利要求1-7任意一项所述的一种导电发热混凝土的水泥基材料的制备方法，其特征在于，该水泥基材料的制备方法包括以下步骤：
将高铁硫铝酸盐水泥熟料、石膏、矿物废渣和无烟煤按照比例配料，经破碎后送入球磨机中进行粉磨至比表面积280~350m2/kg；然后将粉磨后的混合物与碳纤维按照比例混合，通过控制混合时间，使得70%~90%碳纤维长度≥3mm。
9.如权利要求8所述的一种导电发热混凝土的水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述导电发热混凝土的基础材料28d抗压强度≥42.5Mpa。
10.如权利要求8或9所述的一种导电发热混凝土的水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述导电发热混凝土的电阻率≤100Ω·cm。
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