CN1313410C - 复相导电基元混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复相导电基元混凝土，适用于导电性、致热性和强度要求较高的建筑领域。它是由水泥、砂子、石子、碳质材料、纤维状或屑状金属材料和铁矿石类耐火材料构成的复合材料。用于屏蔽无线电干扰、防御电磁波、断路器地合闸电阻、接地装置、建筑物的避雷设备、消除静电装置、建筑采暖地面、金属防腐阴极保护技术、高速公路的自动监控、运动中的重量称量以及道路和机场的冰雪融化、对大型结构如核电场设施与大坝的微裂纹进行监测等。具有导电性好、强度高、成本低、使用寿命长，有良好的化学稳定性和热稳定性，不产生环境污染等优点。
Description
(一)技术领域：本发明涉及一种以碳质材料和纤维状或屑状金属材料作为导电材料制备多功能的复相导电基元混凝土，属于新材料技术领域。
(二)背景技术：
近年来，导电混凝土主要都是单相导电基元混凝土，在经济的条件下，大都不能同时满足强度和导电性的要求。例如，中国专利00107279.X公开的石墨导电混凝土，虽然具有很好的导电性，但由于石墨掺量太大，强度大大降低。中国专利95121612.0公开的导电混凝土电暖装置，是很好的发热装置，用于强度要求不高的建筑领域。中国专利95121611.2公开的一种可用作电发热材料的导电混凝土，利用混凝土增强纤维来加强混凝土的强度，可同时具有良好的导电性和很高的强度，但成本较高。总的说来，目前的导电混凝土各有不足之处，相对而言，在相同经济条件下，能够开发出具有更好的导电性和强度的导电性混凝土将会受到人们的青睐。
1)、导电混凝土背景技术：
导电混凝土是指由胶凝材料、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多相复合材料。导电混凝土是用导电材料部分或全部取代混凝土中的普通骨料配制组成，具有规定的电性能和一定的力学性能的特种混凝土。导电材料可以取代细骨料，也可以取代粗骨料，或两者皆有之。普通混凝土的电阻率一般在104～107Ω·m范围内，它既不属于绝缘体，也不属于良导体，于绝缘体和良导体之间。导电混凝土是在普通混凝土中加入导电材料，电阻率可达到103Ω·m以下。
2)、导电相细骨料背景技术：
导电相细骨料主要是碳质材料，石墨是一种可行的导电材料，石墨是一种较易获取的无机材料，它不仅具有良好的导电性、导热性，而且有良好的化学惰性。它几乎与极大多数的酸、碱、盐都不起反应，不溶于有机和无机溶剂，且有较好的抗氧化性。研究表明，尽管石墨具有优良的物理化学性能，但由于粉末状石墨的长径比小，在水泥混凝土内难以形成相互连通的导电网络，必须掺加较高含量才能使混凝土具有良好的导电性，这将使混凝土的强度大幅度降低。石墨导电混凝土的优点是通过调节石墨的含量可以方便地调节混凝土的电阻率。唯一缺点就是强度太低。
3)、导电相粗骨料背景技术：
导电相粗骨料主要有钢纤维、铁屑、钢屑。钢纤维可增加混凝土的强度，同时也具有一定的导电性，但导电性相对较弱。有良好的化学稳定性。在钢纤维喷射混凝土中，由于乱向分布的钢纤维阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，从而使其性能比普通混凝土有显著提高。钢纤维加入喷射混凝土中，使混凝土力学性能发生了根本变化，脆性材料变成了韧性材料，因而适应于变形量大，持续时间长的工作特点，能防止开裂及剥落。钢纤维混凝土应用日益广泛，已成为一项受到欢迎的新技术。钢纤维作为导电材料的导电混凝土的缺点是导电性较差。
发明任务是：以碳质材料、纤维状或屑状金属材料作为导电材料进行复相导电基元混凝土的制备，使复相导电基元混凝土在具有一定强度的同时，也具有很好的导电性，达到的范围(电阻率在103Ω·m以下)。
(三)发明内容：
1)本发明的技术方案：
一种复相导电基元混凝土，由水泥、碳质材料、纤维状或屑状金属材料和填充材料原料组成。碳质材料是石墨、焦炭、碳黑或碳纤维；纤维状金属材料是钢纤维，屑状金属材料是钢屑或铁屑。其组成及质量百分含量为：水泥15～30％、碳质材料1～15％、纤维状或屑状金属材料1～15％、填料60～80％。填料中加入5～30％的耐火材料。
复相导电基元混凝土的制备方法，其主要特点是对碳质材料进行必要的加工处理，制成一定形状、粒度和级配的细骨料来取代混凝土中的细骨料；对金属材料进行必要的加工处理，制成一定形状、粒度和级配的粗骨料来取代混凝土中的粗骨料。根据混凝土配方计算，按一定比例称量砂、石、水泥、碳质材料、纤维状或屑状金属材料、水。可按砂→水泥→碳质材料、纤维状或屑状金属材料→石子的顺序投入料斗，与翻斗投料入搅拌筒的同时，加入全部拌和用水进行搅拌。当使用外加剂时，应该把它溶于拌和用水中，再倒入搅拌筒内进行搅拌。配合料拌和均匀后进行密实成型，成型后把试块放入养护室中进行养护。养护28d即得样品。
2)、本发明的优点：
在加入碳质材料和纤维状或屑状金属材料导电相后，使混凝土的电解质导电电路短路，变为电子导电。因为碳质材料和纤维状或屑状金属材料的电阻率和各种电解质相比是极低的，因而在混凝土拌和物中，掺入碳质材料或研磨、切削的少量屑粉、球粉、粒状或纤维状金属材料适合配制导电混凝土。此复相导电混凝土不仅具有单纯石墨相导电混凝土的导电性，甚至于在石墨含量低于单纯石墨相导电混凝土的石墨含量时，就可以达到其导电性，而且具有普通混凝土的强度，甚至超过普通混凝土的强度。适合于强度要求较高的建筑领域。
石墨是粉状的，形成相互连通的导电网络需要较多的含量。通过加入纤维状或屑状金属材料可以使石墨含量在低于临界体积或质量含量下就可以产生电导渗流现象。纤维状或屑状金属材料把相互不搭接的石墨连接起来，形成导电网络，可大大节省石墨的用量。
复相导电基元混凝土的复合导电相由不同碳质材料细颗粒复合而成，或由不同碳质材料细颗粒与纤维复合而成，或由不同屑状金属材料复合而成，或由不同屑状与纤维状金属材料复合而成，或由碳质材料细颗粒与纤维状金属材料复合而成，或由碳纤维与屑状金属材料复合而成，或由碳纤维与纤维状金属材料复合而成。
3)、应用领域：
由水泥、碳质材料、纤维状或屑状金属材料和铁矿石类耐火材料组成的导电混凝土，即有普通混凝土的易成型性，又能承受一定程度的高温，还具有一定的导电性。因此它是一种较为理想的电阻加热元件，只调节导电材料含量，就可以方便地调整混凝土块的导电性，从而改变其电阻值，以满足各种电热元件的功率要求。
目前导电混凝土广泛应用的领域有：①断路器的合闸电阻，合闸电阻的阻值一般在数百至上千欧姆。只要适当调节导电混凝土中导电材料的含量，就可以使电阻值满足合闸电阻的要求。另外采用导电混凝土作为断路器的合闸电阻时，可以大大提高其热容。②纤维状或屑状金属材料防腐阴极保护技术，纤维状或屑状金属材料的腐蚀主要发生在电子导电转向离子到带你的界面处。由于导电混凝土主要依靠电子导电的，如果将导电混凝土应用于钢筋混凝土中，就可以消除这种界面，防止钢筋的腐蚀。③建筑采暖地面，可用于较冷地区的室内取暖，以及机场跑道、站台、公路的冰雪融化。可节约人力、财力，并减少路面的损坏。④其它方面，导电混凝土可用作屏蔽无线电干扰、防御电磁波、接地装置、建筑物的避雷设备、消除静电装置、环境加热、电阻器、高速公路的自动监控、运动中的重量称量，工程上还可以利用导电混凝土的电阻率变化，对大型结构如核电场设施与大坝的微裂纹进行监测等。
(四)、附图说明：说明书附图是本发明的技术路线图。
(五)、具体实施方式：
1)石墨、碳黑导电混凝土的实施方式：
| 具体实施例编号 | 石墨+碳黑(wt％) | 耐火材料 | 配合比(kg/m3) | ||||
| 水泥 | 砂 | 卵石 | 水 | 水灰比 | |||
| 1 | 5％ | 15％ | 414 | 682 | 180 | 1112 | 0.44 |
| 2 | 10％ | 20％ | |||||
| 3 | 15％ | 25％ | |||||
| 4 | 20％ | 30％ | |||||
2)、石墨、钢纤维复相导电混凝土的实施方式：
| 具体实施例编号 | 石墨+钢纤维(wt％) | 耐火材料 | 配合比(kg/m3) | ||||
| 水泥 | 砂 | 卵石 | 水 | 水灰比 | |||
| 1 | 5％ | 15％ | 414 | 682 | 180 | 1112 | 0.44 |
| 2 | 10％ | 20％ | |||||
| 3 | 15％ | 25％ | |||||
| 4 | 20％ | 30％ | |||||
3)、碳纤维、钢屑复相导电混凝土的实施方式：
| 具体实施例编号 | 碳纤维+钢屑(wt％) | 耐火材料 | 配合比(kg/m3) | ||||
| 水泥 | 砂 | 卵石 | 水 | 水灰比 | |||
| 1 | 5％ | 15％ | 414 | 682 | 180 | 1112 | 0.44 |
| 2 | 10％ | 20％ | |||||
| 3 | 15％ | 25％ | |||||
| 4 | 20％ | 30％ | |||||
4)、碳纤维、钢纤维复相导电混凝土的实施方式：
| 具体实施例编号 | 碳纤维+钢纤维(wt％) | 耐火材料 | 配合比(kg/m3) | ||||
| 水泥 | 砂 | 卵石 | 水 | 水灰比 | |||
| 1 | 5％ | 15％ | 414 | 682 | 180 | 1112 | 0.44 |
| 2 | 10％ | 20％ | |||||
| 3 | 15％ | 25％ | |||||
| 4 | 20％ | 30％ | |||||
Claims (10)
1、一种复相导电基元混凝土，由水泥、碳质材料、纤维状或屑状金属材料和填充材料原料组成，其特征在于，它的组分的重量百分含量为：
水泥： 15～30％；
碳质材料： 1～15％；
纤维状或屑状金属材料： 1～15％；
填料： 60～80％。
2、根据权利要求1所述的复相导电基元混凝土，其特征在于碳质材料是石墨、焦炭、碳黑或碳纤维；纤维状金属材料是钢纤维，屑状金属材料是钢屑或铁屑。
3、根据权利要求1或2所述的复相导电基元混凝土，其特征在于复合导电相由不同碳质材料细颗粒复合而成。
4、根据权利要求1或2所述的复相导电基元混凝土，其特征在于复合导电相由不同碳质材料细颗粒与纤维复合而成。
5、根据权利要求1或2所述的复相导电基元混凝上，其特征在于复合导电相由不同屑状金属材料复合而成。
6、根据权利要求1或2所述的复相导电基元混凝土，其特征在于复合导电相由不同屑状与纤维状金属材料复合而成。
7、根据权利要求1或2所述的复相导电基元混凝土，其特征在于复合导电相由碳质材料细颗粒与纤维状金属材料复合而成。
8、根据权利要求2所述的复相导电基元混凝土，其特征在于复合导电相由碳纤维与屑状金属材料复合而成。
9、根据权利要求2所述的复相导电基元混凝土，其特征在于复合导电相由碳纤维与纤维状金属材料复合而成。
10、根据权利要求1或2所述的复相导电基元混凝土，其特征在于在填料中加入5～30％的耐火材料。
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