CN115819045A - 一种导电高延性混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土技术领域，尤其是一种能大量回收难降解有机废弃物、强度高、韧性高的有机无机复合型导电高延性混凝土，由以下重量百分比的原料组成：425水泥16.00％、一级粉煤灰4.00％、S95矿粉5.00％、机制砂31.25％、聚羧酸减水剂0.25％、自来水6.83％、瓜子片22.59‑30.34％、废弃橡胶2.50‑6.25％、废弃沥青3.33‑5.83％、炭黑0.50‑2.00％。采用链枝状结构废弃橡胶和废弃沥青，再加入高结构导电炭黑，通过加热，集合各自优点，弥补各自缺点，得到一种新型、低成本、能大量利用废弃橡胶和废弃沥青高延性混凝土。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，尤其是一种能大量回收难降解有机废弃物、强度高、韧性高的有机无机复合型导电高延性混凝土。
背景技术
导电混凝土的填充料主要分为碳基材料和金属材料，金属类材料常用钢纤维、钢渣、钢屑，但在混凝土中掺入这些导电材料会降低混凝土的和易性，并且金属材料的锈蚀问题会引起后期电阻率的增加，对电阻率的稳定性带来不利影响，成本也很高。碳基材料主要为碳纤维、炭黑、碳纳米管、石墨，碳纤维和碳纳米管的导电性能良好但价格昂贵，不适用于大体积水工混凝土制备；石墨作为导电相材料，掺量高，虽然电阻率下降明显，但混凝土强度降幅大；炭黑价格低廉，导电效果好，但是，炭黑颗粒小、比表面积大，在混凝土中分散难，作为导电相材料掺入混凝土后，会吸附部分水量，导致水泥的水化不完全，拌合的混凝土流动性差，后期力学性能差。
高延性混凝土通常采用PVA纤维、超高分子量聚乙烯纤维来增加延性，少部分采用高强聚丙烯纤维、聚甲醛纤维来增加延性。上述几种纤维虽然增韧好，也就是增加延性效果较好，但搅拌过程中存在纤维易结团、难分散、搅拌时间过长、搅拌效率低、很难大规模生产等难题。另外，用这些纤维制备的高延性混凝土成本很高，PVA纤维价格为50元/kg，超高分子量聚乙烯纤维价格为150元/kg，聚甲醛纤维价格为50元/kg，高强聚丙烯纤维价格为50元/kg，为保证高延性混凝土有足够的延性，上述这些纤维的体积掺量为1.5％～2.0％，导致每立方高延性混凝土纤维原材料成本就高达1400元～2900元，不利于工程推广。
我国每年产生大量的废弃橡胶和废弃沥青，形成黑色污染。混凝土、砂浆行业有研究者利用废弃橡胶微粉来对他们改性，但因为室温下废弃橡胶和混凝土无法紧密粘接，两者相邻界面是薄弱点，会极大降低混凝土、砂浆力学性能，因此没有大规模利用，废弃沥青在混凝土砂浆行业再利用也存在同样问题。
废弃橡胶和废弃沥青均为柔性材料，外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状，室温下富有弹性且延伸率大，加热后对混凝土具备超强的粘结性。因此，很适合代替PVA纤维、超高分子量聚乙烯纤维等纤维来制备成本低廉的高延性混凝土。直接把废弃沥青和废弃橡胶掺入混凝土中制备高延性混凝土显然不行，界面粘接能力太差。废弃橡胶130-140℃软化，150-160℃粘固，废弃沥青165℃软化呈流态，把废弃沥青、废弃橡胶加热到150-165℃，再和混凝土拌在一起显然也不行，普通硅酸盐水泥在这个温度下无法顺利水化，而且新拌状态下混凝土拌合水无法和液态废弃橡胶
想要利用废弃橡胶和废弃沥青制备低成本高延性混凝土，必须能对硬化后的混凝土进行全体积加热。如果用外部热源加热的方式，不能加热大体积混凝土，只能加热一些小型混凝土构件，意义不大。因此，有必要制备一种能整体加热混凝土的高性能导电混凝土。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种低成本、能大量利用废弃橡胶和废弃沥青的导电高延性混凝土。
本发明采用的技术方案是：一种导电高延性混凝土，由以下重量百分比的原料组成：
优选的，所述废弃橡胶和废弃沥青的用量比为1:0.93-1.13(w/w)；
所述废弃橡胶和废弃沥青的用量比为1:0.20-0.32(w/w)。
进一步的，所述的废弃橡胶采用具有可逆形变的高弹性聚合物材料，在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状；其粒径为0～10mm，软化温度为130～140℃，在150-160℃下呈流态会产生粘固作用；
废弃橡胶的结构为链枝状结构，易于在橡胶中形成交织联结的导电通路，使导电性能提高，由此可以适当减少炭黑掺量，炭黑的加入虽然能增加混凝土导电能力，但对混凝土强度有害，适当降低炭黑掺量有利于提高混凝土力学性能，从而降低炭黑降低混凝土强度的危害，而且，废弃橡胶在150-160℃时，可以通过吸收沥青中的树脂、烃类等多种有机质，经过一系列的物理和化学变化，使废弃橡胶湿润、膨胀、软化点提高，从而同时具备橡胶和沥青的粘性、韧性、弹性，从而大幅度提高了导电高延性混凝土的延性、强度，另外，橡胶沥青混合在一起，可降低沥青加温的温度，防止沥青的高温老化，防止接近闪点带来的不安全因素，由于可降低沥青温度，可有效节约通电加热成本；
作为有机材料，废弃橡胶表面张力比水低很多，非常容易渗入混凝土孔隙、裂缝及毛细孔，堵塞孔隙，修复裂纹，使混凝土密实、防裂、防水、耐久性高，同时，由于废弃橡胶弹性高，延伸率大，可以极大增强混凝土韧性和延伸率，使混凝土实现由脆到韧的改性。
进一步的，所述的废弃沥青属于憎水性材料，采用防水、防潮、防腐的柔性有机胶凝材料，在室温下富有韧性和延性；其粒径为0～10mm，软化温度为40℃，
废弃沥青在150-160℃下具备很强的流动性，可以和废弃橡胶形成改性沥青胶结材料，进一步提升延性和韧性，同时，由于其强度比废弃橡胶高，可以大幅度提升混凝土强度，另外，混凝土中掺入较多炭黑会导致强度剧烈下降，废弃沥青能起到补强作用，极大减少炭黑大幅降低混凝土强度的弊端；
作为有机材料，废弃沥青表面张力比水低很多，非常容易渗入混凝土孔隙、裂缝及毛细孔，堵塞孔隙，修复裂纹，使混凝土密实、防裂、防水、耐久性高，同时，由于废弃沥青强度高，富有韧性和延性，可以增强混凝土强度、韧性和延伸率。
进一步的，所述的炭黑采用高结构导电炭黑，CTAB吸附比表面积为101～113*103m2/kg，导电能力强，具有高补强性、高耐磨性、高定伸应力，并具备良好的分散性；
炭黑在橡胶中具有高补强性、高耐磨性、高定伸应力，能赋予橡胶较高的拉伸强度和抗撕裂强度，废弃橡胶在150-160℃时形成液态，因表面张力低，混凝土内部孔隙较多，可以很好浸润导电混凝土，并与混凝土中炭黑结合，提高橡胶强度、拉伸能力、延性，而且，通过橡胶加热浸润后形成的网络，炭黑粒子在混凝土内部可以形成一个完全相互连接的联通的导电网络，从而使导电能力增强。
很明显的，链枝状结构废弃橡胶和炭黑在增强、增韧、增加导电能力、增加延性方面可以起到1+1＞2的作用，链枝状结构废弃橡胶和废弃沥青在增强、增韧、增加延性及降低加热温度方面可以起到1+1＞2的作用；三种材料一起使用，相互融合、相互促进，可以起到1+1+1＞3的复合增强效果。
进一步的，所述的机制砂采用细度模数为2.8、粒径为0～5mm的破碎石灰岩。
进一步的，所述的瓜子片采用粒径为5～10mm的破碎石灰岩。
进一步的，所述的液体聚羧酸减水剂固含量为12.0％。
425水泥、S95矿粉、一级粉煤灰、机制砂、自来水、液体聚羧酸减水剂和瓜子片均为常规材料。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、采用链枝状结构废弃橡胶和废弃沥青，再加入高结构导电炭黑，通过加热，集合各自优点，弥补各自缺点，得到一种新型、低成本、能大量利用废弃橡胶和废弃沥青高延性混凝土；
2、采用链枝状结构废弃橡胶和废弃沥青复合使用，两者在加热到一定温度时，可形成橡胶沥青复合材料，增强、增韧、增加延性效果优于任何一种材料单掺效果，还可降低加热温度，降低加热成本；用废弃橡胶和废弃沥青作为导电高延性混凝土的增韧材料，不仅可以大量处理废弃物，相比价格高昂的PVA纤维，超高分子量聚乙烯纤维，高强聚甲醛纤维，高强聚丙烯纤维，其原材料成本几乎可忽略不计；
3、引入废弃橡胶和废弃沥青，不仅起到补强、增韧效果，提高石墨导电混凝土的力学性能，还可大幅度提升导电能力，导电能力的提升，也可降低加热成本；
4、具备刚柔并济的特性，混凝土为刚性物质，废弃橡胶和废弃沥青为柔性物质，刚柔并济，共同提升混凝土气密性、韧性、延性、耐久性，降低混凝土毛细效应吸水导致的危害；
5、导电高延性混凝土，防水性极好，吸水率比可降至0.1％；导电能力强且28天抗压强度轻微降低；延性高，28d延伸率可达3.6％。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
将以下重量百分比的原料：425水泥16.00％、一级粉煤灰4.00％、S95矿粉5.00％、机制砂31.25％、瓜子片30.34％、废弃橡胶2.50％、废弃沥青3.33％、炭黑0.50％、聚羧酸减水剂0.25％、自来水6.83％，混合搅拌均匀，自然养护至28d后，通电加热到150℃并恒温10min，制得本发明导电高延性混凝土。
实施例2
将以下重量百分比的原料：425水泥16.00％、一级粉煤灰4.00％、S95矿粉5.00％、机制砂31.25％、瓜子片27.75％、废弃橡胶3.75％、废弃沥青4.17％、炭黑1.00％、聚羧酸减水剂0.25％、自来水6.83％，混合搅拌均匀，自然养护至28d后，通电加热到150℃并恒温10min，制得本发明导电高延性混凝土。
实施例3
将以下重量百分比的原料：425水泥16.00％、一级粉煤灰4.00％、S95矿粉5.00％、机制砂31.25％、瓜子片25.17％、废弃橡胶5.00％、废弃沥青5.00％、炭黑1.50％、聚羧酸减水剂0.25％、自来水6.83％，混合搅拌均匀，自然养护至28d后，通电加热到150℃并恒温10min，制得本发明导电高延性混凝土。
实施例4
将以下重量百分比的原料：425水泥16.00％、一级粉煤灰4.00％、S95矿粉5.00％、机制砂31.25％、瓜子片22.59％、废弃橡胶6.25％、废弃沥青5.83％、炭黑2.00％、聚羧酸减水剂0.25％、自来水6.83％，混合搅拌均匀，自然养护至28d后，通电加热到150℃并恒温10min，制得本发明导电高延性混凝土。
对比例1
本对比例为不掺加废弃沥青和废弃橡胶的导电混凝土。
将以下重量百分比的原料：425水泥16.00％、一级粉煤灰4.00％、S95矿粉5.00％、机制砂31.25％、瓜子片34.67％、炭黑2.00％、聚羧酸减水剂0.25％、自来水6.83％，混合搅拌均匀，自然养护至28d。
对比例2
本对比例为不掺加炭黑、废弃沥青和废弃橡胶的普通混凝土。
将以下重量百分比的原料：425水泥16.00％、一级粉煤灰4.00％、S95矿粉5.00％、机制砂31.25％、瓜子片36.67％、聚羧酸减水剂0.25％、自来水6.83％，混合搅拌均匀，自然养护至28d。
对比例3
本对比例为只掺加废弃沥青的导电混凝土。
将以下重量百分比的原料：425水泥16.00％、一级粉煤灰4.00％、S95矿粉5.00％、机制砂31.25％、瓜子片28.84％、废弃沥青5.83％、炭黑2.00％、聚羧酸减水剂0.25％、自来水6.83％，混合搅拌均匀，自然养护至28d，通电加热到150℃并恒温10min。
对比例4
本对比例为只掺加废弃橡胶的导电混凝土。
将以下重量百分比的原料：425水泥16.00％、一级粉煤灰4.00％、S95矿粉5.00％、机制砂31.25％、瓜子片28.42％、废弃橡胶6.25％、炭黑2.00％、聚羧酸减水剂0.25％、自来水6.83％，混合搅拌均匀，自然养护至28d，通电加热到150℃并恒温10min。
对比例5
与实施例1的区别在于：瓜子片31.34％、废弃橡胶1.50％。
对比例6
与实施例4的区别在于：瓜子片21.59％、废弃橡胶7.25％。
本发明实施例1-实施例4制得的导电高延性混凝土及对比例1-对比例6的性能如下表所示：
从表中实施例1-实施例4可以看出，炭黑掺量在0.50-2.0％，废弃橡胶掺量在2.50-6.25％，废弃沥青掺量在3.33-5.83％范围内，随着掺量增加，28d电阻率持续下降，最低可至0.67Ω·m。通过橡胶、沥青的交联改性，以及炭黑对橡胶的补强作用，相比对比例1下降了38.8MPa，实施例1-实施例4的抗压强度下降幅度较小，最高也只下降了6.9Mpa。
从对比例3、对比例4数据可以看出，只掺加废弃沥青或只掺加废弃橡胶的导电混凝土，电阻率均较高，延伸率分别为0.11％和1.02％，说明单掺效果差，没有形成复合改性增强效应，无法制备得到导电高延性混凝土。而且，从数据可以看出，单掺废弃沥青效果更差，单掺废弃橡胶延性高一点。
废弃橡胶对延伸率提升效果大于废弃沥青，但是对从对比例5、对比例6数据可以看出，其掺量大于6.25％或小于2.50％均会导致电阻率上升、延伸率下降、抗压强度下降，说明其最佳掺量范围在2.50-6.25％之间，在这个区间能和废弃沥青及炭黑起到相互促进相互加强作用。
电通量是指在一定时间内单位面积混凝土中通过的电流总量，通常通过测定混凝土在60V直流恒电压作用下通电6h所通过电流库仑值的大小，并以此来评价混凝土阻抗有害介质侵透(如抗碳化、抗水渗透、抗氯离子、抗硫酸盐、抗冻、抗碱集料)的能力，从而反映混凝土的耐久性。
从表中可以看出，相比对没掺废弃沥青和废弃橡胶的对比例1和对比例2，实施例1-实施例4及对比例3-对比例6的混凝土不仅吸水率极低，而且电通量也大幅度下降，而且实施例1-实施例4电通量及吸水率下降的更为明显。说明废弃沥青及废弃橡胶的掺入对混凝土的耐久性提升极为明显。
Claims (9)
1.一种导电高延性混凝土，其特征在于，由以下重量百分比的原料组成：
2.根据权利要求1所述的导电高延性混凝土，其特征在于：所述废弃橡胶和废弃沥青的用量比为1:0.93-1.13(w/w)。
3.根据权利要求1所述的导电高延性混凝土，其特征在于：所述废弃橡胶和废弃沥青的用量比为1:0.20-0.32(w/w)。
4.根据权利要求1所述的导电高延性混凝土，其特征在于：所述的废弃橡胶采用具有可逆形变的高弹性聚合物材料，粒径为0～10mm，软化温度为130～140℃。
5.根据权利要求1所述的导电高延性混凝土，其特征在于：所述的废弃沥青属于憎水性材料，采用防水、防潮、防腐的柔性有机胶凝材料，粒径为0～10mm，软化温度为40℃。
6.根据权利要求1所述的导电高延性混凝土，其特征在于：所述的炭黑采用高结构导电炭黑，CTAB吸附比表面积为101～113*103m2/kg。
7.根据权利要求1所述的导电高延性混凝土，其特征在于：所述的机制砂采用细度模数为2.8、粒径为0～5mm的破碎石灰岩。
8.根据权利要求1所述的导电高延性混凝土，其特征在于：所述的瓜子片采用粒径为5～10mm的破碎石灰岩。
9.根据权利要求1所述的导电高延性混凝土，其特征在于：所述的液体聚羧酸减水剂固含量为12.0％。
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