CN1844025A - 纳米炭黑导电混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米炭黑导电混凝土，具体是：含有以硅酸盐水泥和砂组成的基本材料，加入纳米炭黑作为导电相构成纳米炭黑导电混凝土。导电材料的各成分相对于水泥和砂总质量的百分比为：纳米炭黑0.05～3，纳米炭黑分散剂0～3，混凝土减水剂0～0.75。本发明利用炭黑纳米导电粒子间的隧道效应形成混凝土基体内无导线的连接，采用较少的掺量，就能得到导电性好、力学强度高、电阻率稳定和电热均匀性好的导电混凝土；价格较低；便于制作；可广泛用于电采暖地面、融雪化冰、电磁波屏蔽和接地工程等。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，特别是涉及纳米炭黑导电混凝土。
背景技术
在普通混凝土内添加导电填料，如碳纤维、钢纤维、钢渣、石墨等，可大大提高其导电性。碳纤维细小、化学稳定性好，在混凝土内易形成导电网络，但材料成本高，成型工艺较复杂。钢纤维在水泥碱性环境中，表面产生氧化钝化层，使导电混凝土的电阻率稳定性差。钢渣导电混凝土中，钢渣质量百分比占干基材料的83.3％时，混凝土的电阻率仅为3000Ω.cm，因此导电性较差。石墨导电混凝土中，石墨掺量一般为水泥质量的20％左右，掺量较高，并且这种混凝土的抗压强度随石墨掺量的增加呈急剧下降趋势，高掺量石墨导电混凝土仅适用于对强度要求不高的场所。如果采用湿法高压挤压成型制作石墨导电混凝土，可使石墨掺量降低并具有较高抗压强度，但在制造2cm厚的板时，用于挤水的压力达到90～120kg/cm2，意味着大板成型则需要大吨位压力设备，对模具和密封要求也较高，不利于现场大面积浇注施工。采用复掺石墨粉和碳纤维或钢纤维制备的导电混凝土，可以提高导电混凝土的力学性能，但存在导电相复杂、成本高、电阻率稳定性差等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种性能优异和便于推广应用的纳米炭黑导电混凝土，以克服现有导电混凝土存在的不足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：含有以硅酸盐水泥和砂组成的基本材料，加入纳米炭黑作为导电材料后构成纳米炭黑导电混凝土。导电材料的各成分相对于水泥和砂总质量的百分比为：纳米炭黑0.05～3，纳米炭黑分散剂0～3，混凝土减水剂0～0.75。
本发明与现有技术相比具有如下主要的突出效果：
其一，利用炭黑纳米导电粒子间的隧道效应形成混凝土基体内无导线的连接，采用较少的掺量，就能得到导电性好、力学强度高、电阻率稳定和电热均匀性好的导电混凝土。
本发明采用的纳米碳黑粒径大约为33纳米，比表面积为1056m2/g，电阻率约为0.2～10Ω·cm。碳黑能够大大减低混凝土的电阻率，这是因为炭黑的结构性是以碳黑粒子间聚成链状或葡萄状的程度来表示的，炭黑的这种结构性容易形成空间导电网络通道。一方面，炭黑渗入到混凝土基体的孔隙中，使材料更密实，从而取代原来水的位置，改善了材料的微结构，能够减弱含水量对导电混凝土电阻率的影响程度，可提高电阻率的稳定性；另一方面，随着炭黑掺量增加，处于分散状态的炭黑粒子或炭黑粒子集合体的密度也越大，粒子间的平均距离越小，相互接触的几率越高，易形成链式导电结构。并且，平均距离减小有利于粒子间的隧道导电。
其二，价格较低：所采用的纳米导电炭黑市价与石墨粉价格相当。
其三，便于制作：采用普通混凝土制备工艺即可。
其四，应用广：可广泛用于电采暖地面、融雪化冰、电磁波屏蔽和接地工程等。
具体实施方式
本发明提供的是一种含有以硅酸盐水泥和砂组成的基本材料，并且加入纳米炭黑作为导电材料后构成的纳米炭黑导电混凝土。导电材料的各成分相对于水泥和砂总质量的百分比为：纳米炭黑0.05～3，纳米炭黑分散剂0～3，混凝土减水剂0～0.75。
上述纳米炭黑可采用表面处理或表面未处理的产品，其技术参数为：粒径为28～35纳米，比表面积约为1056m2/g，电阻率为0.2～10Ω·cm；或根据实际需要而定。为了便于制备，可采用亲水性纳米导电炭黑，或水性纳米炭黑分散剂。
本发明提供的纳米炭黑导电混凝土应用广泛，其能够在电采暖地面、融雪化冰、电磁波屏蔽或接地工程等领域的应用。
本发明提供的纳米炭黑导电混凝土制备工艺简单，采用普通混凝土制备工艺即可。例如：首先将碳黑与分散剂混合好，再加入水泥、砂、减水剂和水搅拌。配合料拌合均匀后加入模具成型，同时埋入不锈钢丝网电极，并进行正常脱模、养护。
下面结合具体实例对本发明作进一步说明。
实施例：采用42.5普通硅酸盐水泥，原材料及其配比以及养护28天之后相应的电阻率和抗压强度如表1所示，纳米炭黑(简称炭黑)、纳米炭黑分散剂(简称分散剂)和混凝土减水剂(简称减水剂)的配合比以其占水泥与砂总重量的百分比表示。
由表1可知：随着炭黑掺量的增加，其导电性能越好。在掺量达到2.5％左右时，再增加炭黑对电阻率影响不大。掺入炭黑后混凝土的抗压强度减小，但仍保持较高强度。
表1
| 序号 | 炭黑 | 水泥 | 砂 | 水 | 分散剂 | 减水剂 | 电阻率Ω·cm | 抗压强度MPa |
| 0 | 0 | 50 | 50 | 15 | 0 | 0 | 10300 | 66.25 |
| 1 | 0.5 | 50 | 50 | 15 | 0.5 | 0 | 1330 | 42.13 |
| 2 | 1.0 | 50 | 50 | 16.5 | 1.0 | 0 | 180.5 | 34.81 |
| 3 | 2.0 | 50 | 50 | 20 | 2.0 | 0.5 | 78.9 | 41.52 |
| 4 | 2.5 | 50 | 50 | 21 | 2.5 | 0.5 | 41.3 | 37.25 |
| 5 | 3.0 | 50 | 50 | 23 | 3.0 | 0.75 | 33.9 | 33.1 |
在外加恒定电压作用下，纳米炭黑导电混凝土板(炭黑掺量1.65％)绝对温升、电流和电阻的变化情况如表2所示。
由表2可知：外加电压越大，则单位面积电热功率越大，板面温升越高。电阻在升温过程中略有减小，电热功率较稳定。
表2
| 外加电压(V) | 板面绝对温升(℃) | 电流变化范围(A) | 电阻变化范围(Ω) | 平均发热功率(W/m2) |
| 10.29 | 18.3 | 0.24-0.27 | 42.1-38.74 | 126.3 |
| 11.75 | 21.4 | 0.31-0.35 | 37.7-34.48 | 185 |
| 20.3 | 38.4 | 0.55-0.63 | 35.75-32.8 | 521.8 |
Claims (5)
1.一种导电混凝土，含有以硅酸盐水泥和砂组成的基本材料，其特征是加入纳米炭黑作为导电相构成纳米炭黑导电混凝土，导电材料的各成分相对于水泥和砂总质量的百分比为：纳米炭黑0.05～3，纳米炭黑分散剂0～3，混凝土减水剂0～0.75。
2.根据权利要求1所述的导电混凝土，其特征是采用表面处理或表面未处理的纳米炭黑。
3.根据权利要求1或2所述的导电混凝土，其特征是采用亲水性纳米导电炭黑。
4.根据权利要求1所述的导电混凝土，其特征是纳米炭黑分散剂为水性分散剂。
5.纳米炭黑导电混凝土在电采暖地面或融雪化冰或电磁波屏蔽或接地工程的应用。
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