DE69004781T2

DE69004781T2 - Elektrisch leitende zementzusammensetzung und mit dieser zusammensetzung hergestellte elektrisch leitende masse.

Info

Publication number: DE69004781T2
Application number: DE90907498T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Adachi; Takayoshi - Fukagai; Sukemune - - Kishida
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 1989-05-22
Filing date: 1990-05-18
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2010-05-19
Also published as: DE69004781D1; EP0425711B1; HK206796A; JPH02307853A; JP2755429B2; CA2033100C; KR920701070A; WO1990014321A1; KR950014104B1; EP0425711A1; CA2033100A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch leitende Zementzusammensetzung, die zur Verwendung als Verringerer des Erdungswiderstands und als Erdungselektrodenmaterial brauchbar ist, sowie eine aus der Zusammensetzung hergestellte elektrisch leitende Masse.
Zwei Typen von Zusammensetzungen sind konventionellerweise als Verringerer des Erdungswiderstands verwendet worden, die als Stromleitungsmasten, elektrische Pole, Blitzableiter, verschiedene elektrische Geräte etc. eingesetzt worden sind. Ein Zusammensetzungstyp enthält anorganische Materialien wie Gips und einen Elektrolyt, während der andere Typ Zement, Zuschlagstoff und Kohlenstoff-Fasern enthält.
Der erstere Typ ist allerdings anfällig gegenüber Auflösung des Elektrolyten, wenn Regenwasser in das Material eindringt, daher werden die elektrisch leitenden Eigenschaften dieses Typs nicht gut beibehalten. Außerdem ist die mechanische Festigkeit dieses Typs schlecht. Andererseits bringt in Hinsicht auf den letzteren Typ, obwohl die Verwendung einer großen Menge an Kohlenstoff-Faser, die als elektrischer Leiter wirkt, die Herstellung von Widerstandsverringerern mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ermöglicht, die Verwendung einer solch großen Menge an Kohlenstoff-Fasern hohe wirtschaftliche Kosten mit sich.
Eine elektrisch leitende Zusammensetzung, die die oben diskutierten und verschiedene andere Nachteile und Mängel des Standes der Technik überwindet, umfaßt Portlandzement, Quarzsand (Silikasand) und Kohlenstoff-Fasern, wobei auf jeweils 100 Gewichtsteile des Portlandzements Quarzsand (Silikasand) in einer Menge von 1 bis 90 Gewichtsteilen und auf jeweils 100 Gewichtsteile der kombinierten Menge an Portlandzement und Quarzsand (Silikasand) Kohlenstoff-Fasern in einer Menge von 0,6 bis 1,7 Gewichtsteilen enthalten sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die elektrisch leitende Zementzusammensetzung außerdem einen Zuschlag, wobei auf jeweils 100 Gewichtsteile des Portlandzements Zuschlag in einer Menge von 0 bis 200 Gewichtsteilen enthalten ist; auf jeweils 100 Gewichtsteile der kombinierten Menge an Portlandzement und Zuschlag Quarzsand (Silikasand) in einer Menge von 1 bis 90 Gewichtsteilen enthalten ist und auf jeweils 100 Gewichtsteile der kombinierten Menge an Portlandzement, Quarzsand (Silikasand) und Zuschlag Kohlenstoff-Fasern in einer Menge von 0,6 bis 1,7 Gewichtsteilen enthalten sind.
Eine erfindungsgemäße elektrisch leitende Masse wird hergestellt, indem die oben beschriebene elektrisch leitenden Zementzusammensetzung mit Wasser gemischt und die Mischung gehärtet wird, wobei die elektrisch leitende Masse einen spezifischen Durchgangswiderstand von weniger als 0,2 Ω m, eine Biegefestigkeit von 30 kg/cm² oder mehr und eine Druckfestigkeit von 100 kg/cm² oder mehr aufweist.
So ermöglicht die hier beschriebene Erfindung die Aufgaben, (1) eine elektrisch leitende Zementzusammensetzung zu liefern, die die Herstellung einer elektrisch leitenden Masse mit hervorragender mechanischer Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit ermöglicht, und (2) eine preiswerte elektrisch leitende Zementmasse mit den genannten hervorragenden Eigenschaften zu liefern.
Die Typen von Portlandzement, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind nicht besonders begrenzt, und Beispiele für Portlandzement schließen gewöhnlichen Portlandzement, Hochwertzement (Portlandzement (III)), Ultrahochwertzement, Mäßigwärme-Portlandzement, Spezial-Portlandzement und dergleichen ein. Weil gewöhnlicher Portlandzement relativ preiswert ist, wird er im allgemeinen für den vorliegenden Zweck verwendet. Andere Typen von Zement als die oben genannten Portlandzemente können auch in Kombination mit dem Portlandzement verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Menge des anderen Zements so ist, das die physikalischen Eigenschaften der resultierenden Masse nicht beeinträchtigt werden.
Wenn erforderlich enthält die erfindungsgemäße Zementzusammensetzung einen Zuschlag. Beispiele für den Zuschlag schließen ein Calciumcarbonat, Flugasche, Hochofenschlacke, Ton, Luftporenbildungsmittel, Wasserverringerungsmittel, etc. Die verwendbaren Typen von Zuschlägen sind nicht auf diese Materialien begrenzt. Der Zuschlag ist in einer Menge von 200 Gewichtsteilen oder weniger und vorzugsweise 100 Gewichtsteilen oder weniger auf 100 Gewichtsteile Portlandzement enthalten.
Die erfindungsgemäße Zementzusammensetzung umfaßt Quarzsand als Zuschlagstoff. Die Funktionen des Quarzsands werden als konsistent mit der gleichförmigen Verteilung der Kohlenstoff- Faser und der Erhöhung der mechanischen Festigkeit der aus der Zementzusammensetzung hergestellten Masse angesehen.
Für die vorliegenden Zwecke sollte vorzugsweise getrockneter Quarzsand verwendet werden. In Hinsicht auf die Korngröße des Quarzsands wird im Handel erhältlicher Quarzsand Nr. 4 verwendet, der überwiegend aus Siliciumdioxidkörnern besteht, die mit mesh 14 gesiebt, aber mit mesh 28 zurückgehalten werden, wobei allerdings Nr. 2, Nr. 3, Nr. 5 und Nr. 6 etc. ebenfalls verwendet werden können. Der Quarzsand ist in einer Menge von 1 bis 90 Gewichtsteilen, vorzugsweise 3 bis 50 Gewichtsteilen und insbesondere 5 bis 15 Gewichtsteilen auf jeweils 100 Gewichtsteile der kombinierten Menge aus Portlandzement und Zuschlag enthalten. Wenn die Menge des Quarzsands weniger als 1 Gewichtsteil beträgt, ist das Verfahren der Wasserzugabe zu den Bestandteilen der Zusammensetzung, das Kneten und Herstellen der Masse unangemessen schwierig, und außerdem ist die Festigkeit der nach der Hydratisierungsreaktion erhaltenen Masse niedrig. Andererseits ist, wenn die Menge an Quarzsand mehr als 90 Gewichtsteile beträgt, die elektrische Leitfähigkeit der so erhaltenen Masse niedrig, was auf die schlechte Verteilung der Kohlenstoff-Fasern in den Bestandteilen der Zusammensetzung oder auf ein großes Ausmaß an Brechen der Kohlenstoff-Fasern zurückzuführen ist. Außerdem haben im Gegensatz zu den Erwartungen Versuche gezeigt, daß keine Masse mit hervorragenden mechanischen Festigkeitseigenschaften erhalten wird, wenn die Menge des Quarzsands in der Mischung unangemessen hoch ist.
Die Typen von Kohlenstoff-Fasern, die zur erfindungsgemäßen Verwendung geeignet sind, sind solche mit niedrigem elektrischen Widerstand und relativ niedrigen Kosten. Beispielsweise sind aus Pech erhaltene Graphit-Fasern (sogenannte bei 2000ºC gesinterte Fasern) für den vorliegenden Zweck geeignet. Im allgemeinen sollten die verwendeten Kohlenstoff-Fasern eine Länge von 5 bis 30 mm und vorzugsweise 10 bis 25 mm aufweisen. Wenn die Kohlenstoff-Fasern unangemessen kurz sind, ist die Zugabe eines größeren Volumens an Kohlenstoff-Fasern notwendig, und demnach ist die Bearbeitbarkeit bei der Bildung der elektrisch leitenden Masse schlecht. Außerdem ist die mechanische Festigkeit der Masse niedrig. Wenn im Gegensatz dazu die Kohlenstoff-Fasern übermäßig lang sind, ist die Verteilung der Fasern in der Mischung schlecht und daher ist die elektrische Leitfähigkeit der Masse nicht gleichförmig. Um der Masse eine gute elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, soll der Durchmesser der Kohlenstoff-Fasern 40 um oder weniger, vorzugsweise etwa 10 bis 30 um und insbesondere 10 bis 20 um betragen. Die Kohlenstoff-Fasern sind in einer Menge von 0,6 bis 1,7 Gewichtsteilen, vorzugsweise 0,7 bis 1,5 Gewichtsteilen und insbesondere 0,8 bis 1,3 Gewichtsteilen auf jeweils 100 Gewichtsteile der kombinierten Menge aus Zement, Quarzsand und Zuschlag vorhanden. Wenn die Menge der Kohlenstoff-Fasern mehr als 1,7 Gewichtsteile beträgt, nimmt die elektrische Leitfähigkeit nicht in angemessener Weise zu, wenn die Kosten des Materials entsprechend steigen. Außerdem führt eine übermäßige Menge an Kohlenstoff-Fasern zu einer Masse mit niedriger mechanischer Festigkeit.
Eine oder mehrere Sorten des oben erwähnten Portlandzements, Quarzsands, der Kohlenstoff-Fasern oder Zuschläge kann bzw. können in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung enthalten sein.
Um unter Verwendung der erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Zementzusammensetzung eine elektrisch leitende Masse zu erhalten, kann beispielsweise das folgende Verfahren verwendet werden. Zuerst werden der genannte Portlandzement, der Quarzsand, die Kohlenstoff-Fasern und falls erforderlich der Zuschlag nach einem konventionellen Verfahren gemischt. Die Reihenfolge der Zugabe dieser Bestandteile unterliegt keiner speziellen Einschränkung. Wasser und wenn notwendig eine geringe Menge Kies (Grobsand) wird dann zugesetzt, wonach die Mischung der genannten Bestandteile durch Hydratisierung gehärtet wird und so die gewünschte Masse ergibt. Die zugesetzte Wassermenge beträgt üblicherweise 40 bis 80 Gewichtsteile und vorzugsweise 45 bis 70 Gewichtsteile auf jeweils 100 Gewichtsteile der trockenen Zementzusammensetzung. In Fällen, wo ein wasserabsorbierendes Material oder ein Material, das ein Hydrat bildet, als Zuschlag zugesetzt wird, soll die Wassermenge in geeigneter Weise erhöht werden. Die Reihenfolge, in der die Zementzusammensetzung, Wasser und falls notwendig Kies zugegeben werden, unterliegt keiner speziellen Einschränkung. Die gewünschte elektrisch leitende Masse wird dann erhalten, indem die Mischung härten gelassen wird. Beispielsweise wird die so erhaltene Mischung in eine Form gegossen, gepresst, rotationsgeformt oder extrudiert, etc., was zu einer feuchten Masse führt. Dann wird die feuchte Masse bei gewöhnlicher Temperatur oder durch Erhitzen gehärtet.
Die erfindungsgemäße elektrisch leitende Masse, die in der oben gewähnten Weise hergestellt worden ist, besitzt einen spezifischen Durchgangswiderstand von weniger als 0,2 Ω m, eine Biegefestigkeit von 30 kg/cm² oder mehr und eine Druckfestigkeit von 100 kg/cm² oder mehr, daher ist die elektrische Leitfähigkeit der so erhaltenen Masse hoch und die mechanische Festigkeit der Masse ist groß.
Die erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Zementzusammensetzungen können als Verringerer des Erdungswiderstands für elektrische Pole, Blitzableiter oder dergleichen verwendet werden. Beispielsweise kann nach der Zugabe von Wasser zu der Zementzusammensetzung und Mischen die resultierende Mischung gegossen werden, um den oberen Teil eines mit Kupfer plattierten Stabs, der als Blitzableiterelektrode in die Erde getrieben worden ist, zu bedecken, und dann härten gelassen werden. In den Fällen, wo Erdungsplatten aus Kupferfolie als Erdungselektroden für hochzugfeste Stromleitungsmasten verwendet werden, können die Außenbereiche der Bleidrähte zwischen den Platten mit der oben erwähnten Mischung aus Zementbestandteilen und Wasser bedeckt und dann härten gelassen werden.
Die erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Zementzusammensetzungen können auch für die Erdungselektroden elektrischer Pole oder Blitzableiter verwendet werden. Beispielsweise können die Zementbestandteile mit zugesetztem Wasser gegossen werden, um so die Außenbereiche der Erdungsdrähte aus Blei direkt zu umgeben, und härten gelassen werden, und die resultierende Masse dient als Erdungselektrode.
In jeder der oben erwähnten Anwendungen wird die Zementzusammensetzung gehärtet, um eine erfindungsgemäße elektrisch leitende Masse zu bilden. Weil die elektrisch leitende Masse, die die Erdungselektrode bildet, ein harter Feststoff ist, wird die oben genannte Elektrode nicht leicht durch äußeren Druck verformt und so wird der elektrische Widerstand der Erdungselektroden nicht erhöht. Außerdem kann dem Splittern der Erdungselektroden aufgrund des durch Blitzableiter hervorgerufenen Stromstoßes und einem nachfolgender Anstieg des elektrischen Widerstands vorgebeugt werden.
Die erfindungsgemäße elektrisch leitende Zementzusammensetzung umfaßt Portlandzement, Quarzsand, Kohlenstoff-Fasern und falls notwendig einen Zuschlag, wobei die Proportionen des Quarzsands und der Kohlenstoff-Fasern wie oben vorgeschrieben sind. Ungeachtet eines vergleichsweise kleinen Anteils an Quarzsand und Kohlenstoff-Fasern besitzt die elektrisch leitende Masse, die unter Verwendung der Zementzusammensetzung erhalten worden ist, hervorragende elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit. Mehr noch, da die Menge an Kohlenstoff-Faser relativ klein ist, kann eine elektrisch leitende Masse mit den oben erwähnten hervorragenden Charakteristika zu wirtschaftlichen Kosten erhalten werden.
Die erfindungsgemäße elektrisch leitende Masse besitzt einen niedrigen spezifischen Durchgangswiderstand, große Biegefestigkeit und große Druckfestigkeit. Außerdem wird, im Gegensatz zu konventionellen Widerstandsverringerern vom Gips-Typ, die elektrisch leitende Komponente der vorliegenden Zementzusammensetzung nicht in Wasser aufgelöst und so behält die elektrische leitende Masse eine adäquate mechanische Festigkeit. Daher ist die erfindungsgemäße elektrisch leitende Zementzusammensetzung in hohem Maße zur Verwendung als Erdungselektrodenmaterialien und Verringerer des Erdungswiderstands für Objekte geeignet, die für die Induktion von Stromstößen durch Blitzableitern anfällig sind, etc. wie Stromleitungsmasten, elektrische Polen und Blitzableiter, etc.

Beispiele

Beispiel 1

100 Gewichtsteile gewöhnlicher Portlandzement, ungefähr 1,5 Gewichtsteile Kohlenstoff-Fasern (d. h. aus Pech erhaltene Graphit-Fasern mit einem mittleren Durchmesser von 14,5 um und einer Länge von 10 bis 25 mm), 60 Gewichtsteile Calciumcarbonat und 5 Gewichtsteile trockener Quarzsand Nr. 4 wurden ungefähr 5 Minuten lang in einem Universalrührmischer gemischt, wodurch die Kohlenstoff-Fasern verteilt wurden und die erfindungsgemäße elektrisch leitende Zementzusammensetzung erhalten wurde. Von einem Teil dieser Mischung wurde eine Probe gezogen, um den Zustand der Verteilung der Kohlenstoff-Fasern visuell zu untersuchen. Die Resultate sind zusammen mit den für die unten beschriebenen Beispiele 2 bis 10 und Vergleichsbeispiele 1 bis 5 erhaltenen Resultate in Tabelle 1 gezeigt. Der Verteilungszustand der Kohlenstoff-Fasern wurde nach der folgenden dreistufigen Skala bewertet:
O : hervorragende Verteilung
Δ: vergleichsweise gute Verteilung
X : verknäuelte Klumpen (Pillen) aus Fasern vorhanden
Dann wurden dieser Mischung 70 Gewichtsteile Wasser zugesetzt, die Bestandteile wurden gründlich durchmischt und die feuchte Masse wurde durch Hydratisierung härten gelassen, wodurch eine erfindungsgemäße elektrisch leitende Masse erhalten wurde.
Der spezifische Durchgangswiderstand, die Biegefestigkeit und die Druckfestigkeit der resultierenden Masse wurden gemäß den in JIS R5201, "Physical Testing Methods of Cement", spezifizierten Verfahren gemessen. Für die Untersuchung des spezifischen Durchgangswiderstands wurde eine Masse, die in Form eines 4 x 4 x 8 cm rechteckigen Parallelepipeds geformt und 5 Tage gehärtet worden war, als Probestück verwendet, und die Messung wurde unter Verwendung eines Wechselspannungsbrückenwiderstands durchgeführt. Zur Untersuchung der Biege- und Druckfestigkeit wurden Massen, die in Form eines 4 x 4 x 16 cm rechteckigen Parallelepipeds geformt und 8 Tage gehärtet worden waren, als Probestücke verwendet.
Die Resultate dieser Tests sind in Tabelle 1 zusammen mit den entsprechenden Resultaten für die Beispiele 2 bis 10 und Vergleichsbeispiele 1 bis 5 gezeigt.

Beispiele 2 bis 10

Elektrisch leitende Massen wurden nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, außer daß die Proportionen der entsprechenden Bestandteile und die Länge der verwendeten Kohlenstoff-Fasern wie in Tabelle 1 gezeigt waren.

Vergleichsbeispiele 1 bis 5

Elektrisch leitende Massen wurden nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, außer daß die Proportionen der entsprechenden Bestandteile und die Länge der verwendeten Kohlenstoff-Fasern wie in Tabelle 1 gezeigt waren. Tabelle 1 Beispiele Vergleichsbeispiele Portlandzement Calciumcarbonat Quarzsand Posten A Kohlenstoff-Fasern Faserlänge mm Posten B Wasser Verteilungsgrad spezifischer Durchgangswiderstand (Ω m) Biegefestigkeit (kg/cm²) Druckfestigkeit (kg/cm²) a) Posten A repräsentiert das Verhältnis von Quarzsand zu dem Gesamtgewicht (100) von Zement und Calciumcarbonat b) Posten B repräsentiert das Verhältnis von Kohlenstoff-Fasern zu dem Gesamtgewicht (100) von Zement, Calciumcarbonat und Quarzsand

Beispiele 11 bis 14

Elektrisch leitende Massen wurden nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, außer daß die Proportionen der entsprechenden Bestandteile und die Länge der verwendeten Kohlenstoff-Fasern wie in Tabelle 2 gezeigt waren.
Die spezifischen Durchgangswiderstände der so erhaltenen elektrisch leitenden Massen sind zusammen mit den entsprechenden Resultaten für die unten beschriebenen Vergleichsbeispiele 6 bis 8 in Tabelle 2 gezeigt.

Vergleichsbeispiele 6 bis 8

Elektrisch leitende Massen wurden nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, außer daß die Proportionen der entsprechenden Bestandteile und die Länge der verwendeten Kohlenstoff-Fasern wie in Tabelle 2 gezeigt waren. Tabelle 2 Beispiele Vergleichsbeispiele Portlandzement Calciumcarbonat Quarzsand Nr. 4 Proportion (Gew.%)a Kohlenstoff-Fasern Faserlänge mm Proportion (Gew.%)b Wasser spezifischer Durchgangswiderstand (Ω m) a) Posten A repräsentiert das Verhältnis von Quarzsand zu dem Gesamtgewicht (100) von Zement und Calciumcarbonat b) Posten B repräsentiert das Verhältnis von Kohlenstoff-Fasern zu dem Gesamtgewicht (100) von Zement, Calciumcarbonat und Quarzsand

Claims

1. Elektrisch leitende, Portlandzement, Quarzsand (Silikasand) und Kohlenstoff-Fasern umfassende Zementzusammensetzung, die auf jeweils 100 Gewichtsteile des Portlandzements Quarzsand (Silikasand) in einer Menge von 1 bis 90 Gewichtsteilen und auf jeweils 100 Gewichtsteile der kombinierten Menge an Portlandzement und Quarzsand (Silikasand) Kohlenstoff-Fasern in einer Menge von 0,6 bis 1,7 Gewichtsteilen enthält.

2. Elektrisch leitende Zementzusammensetzung nach Anspruch 1, die außerdem einen Zuschlag umfaßt und auf jeweils 100 Gewichtsteile des Portlandzements Zuschlag in einer Menge von 0 bis 200 Gewichtsteilen enthält; auf jeweils 100 Gewichtsteile der kombinierten Menge an Portlandzement und Zuschlag Quarzsand (Silikasand) in einer Menge von 1 bis 90 Gewichtsteilen enthält und auf jeweils 100 Gewichtsteile der kombinierten Menge an Portlandzement, Quarzsand (Silikasand) und Zuschlag Kohlenstoff-Fasern in einer Menge von 0,6 bis 1,7 Gewichtsteilen enthält.

3. Elektrisch leitende Masse, die durch Mischen einer elektrisch leitenden Zementzusammensetzung nach Anspruch 1 mit Wasser und Härten der Mischung hergestellt ist, wobei die elektrisch leitende Masse einen spezifischen Durchgangswiderstand von weniger als 0,2 Ω m, eine Biegefestigkeit von 30 kg/cm² oder mehr und eine Druckfestigkeit von 100 kg/cm² oder mehr aufweist.