CN116354672B - 一种高强高导电性混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高强高导电性混凝土及其制备方法，所述导电混凝土的原料组成包括如下组分：水泥胶凝材料90～112重量份、细骨料118～147重量份、粗骨料204～255重量份、改性钢纤维10～16重量份、改性导电填料55～70重量份、减水剂0.4～0.65重量份、水灰比为0.4～0.45。其中：所述改性钢纤维的表面由氢氧化铁包覆，且该包覆层中掺杂了无机导电微粒；所述改性导电填料为碳载体、金属铜单质与铝酸三钙形成的混合体。本发明通过对钢纤维进改性以及制备的新型导电填料，不仅使制备的导电混凝土兼具高强度和良好的导电性，而且克服了钢纤维在混凝土中的稳定性不足而造成混凝土的长期导电稳定性不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及导电混凝土技术领域，具体涉及一种高强高导电性混凝土及其制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
导电混凝土是指由水泥、导电填料、骨料和水等组分混合后固化形成的建筑材料，其克服了传统的混凝土不具备导电能力的不足，从而可以用于建设屏蔽无线电干扰、防御电磁波的建筑体，还可以用作电工材料、利用导电产生的热效应进行环境加热、建筑采暖以及道路机场的融冰化雪等方面。目前，大多数导电混凝土主要通过添加导电炭黑、石墨、碳纳米材料、钢纤维等导电材料降低电阻，提高混凝土的导电率。然而，上述的方式对混凝体的力学强度带来了很大的不利影响：随着这些导电材料添加量的提升，混凝土的强度会大幅度下降，但如果不添加足够量的导电材料又难以保证混凝土的导电性。这就造成了混凝土的导电性和力学强度难以兼顾的矛盾，也成了实现导电混凝土应用的关键技术问题。
另外，在上述的导电材料中，电炭黑、石墨、碳纳材料在拌和过程中易发生团聚，为保证混凝土中单位面积内导电材料的分布量，不得不进一步增加导电材料的添加比例，加剧了混凝土力学强度的下降。而钢纤维虽然有助于同时改善混凝土的导电性和力学性能，但钢纤维容易随着服役期的增加逐渐被腐蚀，导致由于钢纤维在混凝土中稳定性不足造成混凝土的长期导电稳定性不足的问题，容易随着时间的增加而导电性能明显下降。
发明内容
本发明提供一种高强高导电性混凝土及其制备方法。本发明通过对钢纤维改性以及制备的新型导电填料，不仅使制备的导电混凝土兼具高强度和良好的导电性，而且克服了钢纤维在混凝土中的稳定性不足而造成混凝土的长期导电稳定性不足的问题。为实现上述目的，本发明的技术方案如下所示。
第一方面，本发明公开一种高强高导电性混凝土，其原料组成包括如下组分：水泥胶凝材料90～112重量份、细骨料118～147重量份、粗骨料204～255重量份、改性钢纤维10～16重量份、改性导电填料55～70重量份、减水剂0.4～0.65重量份、水灰比为0.4～0.45。其中：所述改性钢纤维的表面由氢氧化铁包覆，且该包覆层中掺杂了无机导电微粒。
进一步地，所述改性钢纤维的制备方法包括如下所示的步骤：
(1)在钢纤维表面喷洒含Fe3+的溶液进行润湿，干燥后得活化钢纤维，备用。
(2)将碱液与无机导电微粒混合形成改性分散液，将所述改性分散液喷洒在活化钢纤维表面，完成后在含氧环境中进行氧化干燥，即得表面具有氢氧化铁与无机导电微粒形成的混杂包覆层的改性钢纤维。
进一步地，步骤(1)中，所述钢纤维的长度为10～16mm，直径为0.2～0.6mm。
进一步地，步骤(1)中，所述含Fe3+的溶液与钢纤维的比例为1.3～1.85ml：1g，所述含Fe3+的溶液的质量分数为15～20％。优选地，在喷洒所述含Fe3+的溶液过程中不断翻动所述钢纤维，以将含Fe3+的溶液更加全面、均匀地喷洒在钢纤维的表面。
进一步地，步骤(1)中，所述含Fe3+的溶液包括FeCl3溶液、Fe2(SO4)3溶液、Fe(OH)(CH3COO)2溶液等中的至少一种。
进一步地，步骤(1)中，所述干燥温度为75～90℃，时间为40～60min，即得所述活化钢纤维，其表面形成Fe2+活化层。
进一步地，步骤(2)中，所述碱液与无机导电微粒的比例为1mL：0.1～0.14g，所述碱液的质量分数为15～25％。
进一步地，步骤(2)中，所述碱液包括NaOH、KOH、Na2CO3、K2CO3等中溶液的任意一种，所述无机导电微粒包括导电炭黑、石墨粉等中的至少一种。可选地，所述无机导电微粒的粒径为400～600目。
进一步地，步骤(2)中，所述改性分散液与活化钢纤维的比例为1.7～2.0ml：1g。优选地，在喷洒所述改性分散液过程中不断翻动所述活化钢纤维，以将改性分散液更加全面、均匀地喷洒在活化钢纤维的表面。
进一步地，步骤(2)中，所述干燥温度为45～60℃，时间为40～60min，然后自然晾干2～3小时，即得所述改性钢纤维。
进一步地，所述改性导电填料的制备方法包括如下所示的步骤：
(i)将聚乙烯醇或聚丙烯酰胺胶粉、含Cu2+的饱和溶液混匀形成胶液，然后边搅拌边加入硼氢化钠溶液进行所述Cu2+的还原反应，然后对得到的胶液进行加热干燥，即得聚乙烯醇和纳米铜单质交联体粉体。
(ii)将所述交联体粉体与氢氧化铝粉体、氢氧化钙粉体混合均匀，将得到的混合料在真空或保护气氛中进行煅烧处理，完成后冷却至室温，即得改性导电填料。
进一步地，步骤(i)中，所述聚乙烯醇或聚丙烯酰胺胶粉、含Cu2+的饱和溶液的比例为1g：25～40ml。所述含Cu2+的饱和溶液包括CuCl2饱和溶液、CuSO4饱和溶液、Cu(CO2CH3)2饱和溶液等中的至少一种。
进一步地，步骤(i)中，所述硼氢化钠溶液与Cu2+摩尔比为1：3.5～4；可选地，所述还原反应时间为20～30min。
进一步地，步骤(i)中，所述加热温度为90～115℃，并加热至产物质量不再变化，即意味着所述胶液中的水分去除完毕，得所述交联体粉体。
进一步地，步骤(ii)中，所述交联体粉体与氢氧化铝粉体和氢氧化钙粉体的总质量比为1g：0.2～0.3g，其中，所述氢氧化铝粉体和氢氧化钙粉体的比例按照Ca：Al的摩尔比为1.5：1进行添加。
进一步地，步骤(ii)中，所述煅烧处理的温度为1320～1380℃，煅烧时间为2～3小时。所述保护气氛包括氮气或惰性气体。
进一步地，步骤(ii)中，将所述冷却至室温得到的煅烧产物研磨至300～450目，即得所述改性导电填料。
第二方面，本发明公开所述高强高导电性混凝土的制备方法，包括如下步骤：将所述水泥胶凝材料、细骨料、粗骨料、改性钢纤维、改性导电填料混匀，得到粉料。然后将所述减水剂和水加到所述粉料中，搅拌均匀，即得混凝土浆料。
进一步地，所述细骨料、粗骨料可以采用本领域常规的骨料，所述水泥胶凝材料、减水剂也可以根据需要选择合适的种类，本发明不再赘述。
相较于现有技术，本发明的技术方案至少具有以下方面的有益效果：
(1)添加了钢纤维的水泥虽然具有良好的导电性，但由于钢纤维表面容易被氧化腐蚀，造成混凝土的长期导电稳定性不足，即容易随着导电混凝土的服役时间的增加而出现导电性能明显下降的现象。针对这一问题，本发明将钢纤维制备成了表面由氢氧化铁包覆，且该包覆层中掺杂了无机导电微粒的改性钢纤维，其在混凝土中不仅具有良好的稳定性，而且具有良好的导电性能，有效缓解了以钢纤维为导电剂的混凝土随着服役时间的增加而出现导电性能下降明显的问题。其原因在于：本发明首先利用含Fe3+的溶液对钢纤维的表面进行处理，从而利用Fe3+与钢纤维表面反应形成Fe2+活化层。进一步地，本发明将碱液与无机导电微粒混合形成改性分散液，然后将所述改性分散液喷洒在活化钢纤维表面，当钢纤维表面的Fe2+活化层遇到碱液后形成氢氧化亚铁包覆层，同时将所述无机导电微粒固定在钢纤维表面。经过后续在含氧环境中进一步氧化干燥处理后形成表面具有氢氧化铁与无机导电微粒形成的混杂包覆层的改性钢纤维。从而，本发明利用混凝土的内部为碱性环境以及氢氧化铁本身属于碱性物质且不溶于水的特点，使得本发明制备的改性钢纤维可以在混凝土中更加长久地保持稳定，防止内部的钢纤维被氧化腐蚀。所述无机导电微粒起到良好的连通钢纤维外部的混凝土基体以及钢纤维的作用，从而使混凝土实现导电，而且无机导电微粒具有良好的抗氧化和抗腐蚀性。另外，所述无机导电微粒还能起到粗糙化钢纤维表面的作用，增加钢纤维与混凝土基体之间的结合力，在混凝土发生断裂的过程中增加钢纤维与混凝土基体分离的阻力，能够更好地强化钢纤维对混凝土强度的提升。
(2)为了使添加到混凝土中的改性钢纤维之间更好地形成导电通路，并增加混凝土的强度，本发明制备了新型改性导电填料。在制备过程中，本发明首先将聚乙烯醇或聚丙烯酰胺胶粉与含Cu2+的饱和溶液混匀形成胶液，然后加入还原剂将Cu2+还原成铜单质，所述胶粉不仅作为碳源，而且还利用含Cu2+的饱和溶液形成的胶液起到交联分散的作用，可有效阻止还原形成的铜单质的团聚，从而更有助于形成生成铜纳米颗粒均匀分散在胶液中，使得到的所述改性导电填料具有更好的导电性。进一步地，本发明将通过上述工艺得到的交联体粉体与氢氧化铝粉体、氢氧化钙粉体混匀后进行煅烧，形成主要由碳载体、金属铜单质与铝酸三钙形成的改性导电填料体。这种改性导电填料进入混凝土中后分散在一维的改性钢纤维之间，可以更好地起到连通改性钢纤维的作用，同时所述铝酸三钙在混凝土凝固过程中与所述水泥胶凝材料同时进行水化，利用水化形成的胶凝成分使所述改性导电填料与混凝土基体之间具有更好的结合力，有利于进一步强化混凝土的强度。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为下列实施例1制备的改性钢纤维的SEM图。
图2为下列实施例制备的用于导电性测试的混凝土试件的效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
除非另行定义，本发明中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。本发明中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1
1、一种改性钢纤维的制备方法，包括如下步骤：
(1)取长度在10～13mm之间，直径在0.2～0.4mm之间的钢纤维，备用。取质量分数为15％的FeCl3溶液，备用。按照所述钢纤维与FeCl3溶液与按照1.7ml：1g的比例，将FeCl3溶液喷洒在钢纤维表面，且在喷洒过程中不断翻动所述钢纤维，喷洒完毕后再搅拌3min。完成后将得到的润湿的钢纤维置于烘干机中于80℃保温45min，即得活化钢纤维，备用。
(2)将质量分数为20％的NaOH溶液与粒径在400～500目之间的石墨粉按照1mL：0.12g的比例混合后超声分散20min形成改性分散液。然后按照改性分散液与活化钢纤维为1.8ml：1g的比例，将所述改性分散液喷洒在活化钢纤维表面，并在喷洒过程中不断翻动所述活化钢纤维。完成后将得到的钢纤维置于烘干机中，并在空气气氛中于55℃保温50min进行氧化干燥，完成后继续自然晾干3小时，即得改性钢纤维(参考图1)。
2、一种改性导电填料的制备方法，包括如下步骤：
(i)将聚乙烯醇胶粉与CuCl2饱和溶液按照1g：30ml混合后搅拌至胶粉完全溶解形成胶液，然后按照硼氢化钠溶液与Cu2+的摩尔比＝1：3.5的比例，边搅拌边在所述胶液中加入质量分数为8％的硼氢化钠溶液反应25min。完成对得到的胶液在100℃蒸干至质量恒定，即得聚乙烯醇和纳米铜单质交联体粉体。
(ii)将氢氧化铝粉体和氢氧化钙粉体按照Ca：Al的摩尔比＝1.5：1的比例混合均匀，然后加入所述交联体粉体混合均匀形成混合料，所述交联体粉体与氢氧化铝粉体和氢氧化钙粉体的总质量比为1g：0.25g。将所述混合料在1350℃真空煅烧2小时，完成后冷却至室温，得到的煅烧产物研磨至400目，即得改性导电填料，备用。
3、一种高强高导电性混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将本实施例制备的改性钢纤维在氧气浓度40％，湿度为90％的试验箱中保持48小时，以模拟进行加速氧化、腐蚀处理。完成后将得到的改性钢纤维烘干，即得预处理改性钢纤维。
(2)取如下原料：42.5普通硅酸盐水泥90重量份、河沙118重量份、碎石204重量份、本实施例制备的预处理改性钢纤维10重量份、本实施例制备的改性导电填料55重量份、聚羧酸减水剂0.4重量份、水灰比0.4。
(3)先将所述水泥、河沙、碎石、改性钢纤维和改性导电填料置于搅拌机中搅拌混合10min，得到粉料。然后将所述减水剂和水加到所述粉料中搅拌10min，即得混凝土浆料。
将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成混凝土试件，并根据GB/T50081-2019标准测试龄期28天的试件抗压强度。另外，将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成用于测试电阻率的试件(参考图2)，结果为：抗压强度61.8MPa，电阻率132.3Ω·cm。
实施例2
1、一种改性钢纤维的制备方法，包括如下步骤：
(1)取长度在13～16mm之间，直径在0.5～0.6mm之间的钢纤维，备用。取质量分数为15％的Fe2(SO4)3溶液，备用。按照所述钢纤维与Fe2(SO4)3溶液与按照1.3ml：1g的比例，将Fe2(SO4)3溶液喷洒在钢纤维表面，且在喷洒过程中不断翻动所述钢纤维，喷洒完毕后再搅拌3min。完成后将得到的润湿的钢纤维置于烘干机中于75℃保温60min，即得活化钢纤维，备用。
(2)将质量分数为25％的NaOH溶液与粒径在400～500目之间的导电炭黑按照1mL：0.10g的比例混合后超声分散20min形成改性分散液。然后按照改性分散液与活化钢纤维为1.7ml：1g的比例，将所述改性分散液喷洒在活化钢纤维表面，并在喷洒过程中不断翻动所述活化钢纤维。完成后将得到的钢纤维置于烘干机中，并在空气气氛中于60℃保温40min进行氧化干燥，完成后继续自然晾干2小时，即得改性钢纤维，备用。
2、一种改性导电填料的制备方法，包括如下步骤：
(i)将聚乙烯醇胶粉与CuSO4饱和溶液按照1g：25ml混合后搅拌至胶粉完全溶解形成胶液，然后按照硼氢化钠溶液与Cu2+的摩尔比＝1：3.5的比例，边搅拌边在所述胶液中加入质量分数为8％的硼氢化钠溶液反应20min。完成对得到的胶液在90℃蒸干至质量恒定，即得聚乙烯醇和纳米铜单质交联体粉体。
(ii)将氢氧化铝粉体和氢氧化钙粉体按照Ca：Al的摩尔比＝1.5：1的比例混合均匀，然后加入所述交联体粉体混合均匀形成混合料，所述交联体粉体与氢氧化铝粉体和氢氧化钙粉体的总质量比为1g：0.2g。将所述混合料在1320℃真空煅烧2.5小时，完成后冷却至室温，得到的煅烧产物研磨至450目，即得改性导电填料，备用。
3、一种高强高导电性混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将本实施例制备的改性钢纤维在氧气浓度40％，湿度为90％的试验箱中保持48小时，以模拟进行加速氧化、腐蚀处理。完成后将得到的改性钢纤维烘干，即得预处理改性钢纤维。
(2)取如下原料：42.5普通硅酸盐水泥105重量份、河沙130重量份、碎石225重量份、本实施例制备的预处理改性钢纤维14重量份、本实施例制备的改性导电填料62重量份、聚羧酸减水剂0.5重量份、水灰比0.42。
(3)先将所述水泥、河沙、碎石、改性钢纤维和改性导电填料置于搅拌机中搅拌混合10min，得到粉料。然后将所述减水剂和水加到所述粉料中搅拌10min，即得混凝土浆料。
将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成混凝土试件，并根据GB/T50081-2019标准测试龄期28天的试件抗压强度。另外，将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成用于测试电阻率的试件。结果为：抗压强度68.1MPa，电阻率147.4Ω·cm。
实施例3
1、一种改性钢纤维的制备方法，包括如下步骤：
(1)取长度在14～15mm之间，直径在0.3～0.5mm之间的钢纤维，备用。取质量分数为20％的Fe(OH)(CH3COO)2溶液，备用。按照所述钢纤维与Fe(OH)(CH3COO)2溶液与按照1.85ml：1g的比例，将Fe(OH)(CH3COO)2溶液喷洒在钢纤维表面，且在喷洒过程中不断翻动所述钢纤维，喷洒完毕后再搅拌3min。完成后将得到的润湿的钢纤维置于烘干机中于90℃保温40min，即得活化钢纤维，备用。
(2)将质量分数为15％的Na2CO3溶液与粒径在500～600目之间的导电炭黑按照1mL：0.14g的比例混合后超声分散20min形成改性分散液。然后按照改性分散液与活化钢纤维为2.0ml：1g的比例，将所述改性分散液喷洒在活化钢纤维表面，并在喷洒过程中不断翻动所述活化钢纤维。完成后将得到的钢纤维置于烘干机中，并在空气气氛中于45℃保温60min进行氧化干燥，完成后继续自然晾干2.5小时，即得改性钢纤维，备用。
2、一种改性导电填料的制备方法，包括如下步骤：
(i)将聚丙烯酰胺胶粉与Cu(CO2CH3)2饱和溶液按照1g：40ml混合后搅拌至胶粉完全溶解形成胶液，然后按照硼氢化钠溶液与Cu2+的摩尔比＝1：4的比例，边搅拌边在所述胶液中加入质量分数为8％的硼氢化钠溶液反应30min。完成对得到的胶液在115℃蒸干至质量恒定，即得聚丙烯酰胺和纳米铜单质交联体粉体。
(ii)将氢氧化铝粉体和氢氧化钙粉体按照Ca：Al的摩尔比＝1.5：1的比例混合均匀，然后加入所述交联体粉体混合均匀形成混合料，所述交联体粉体与氢氧化铝粉体和氢氧化钙粉体的总质量比为1g：0.3g。将所述混合料在1380℃真空煅烧2小时，完成后冷却至室温，得到的煅烧产物研磨至300目，即得改性导电填料，备用。
3、一种高强高导电性混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将本实施例制备的改性钢纤维在氧气浓度40％，湿度为90％的试验箱中保持48小时，以模拟进行加速氧化、腐蚀处理。完成后将得到的改性钢纤维烘干，即得预处理改性钢纤维。
(2)取如下原料：42.5普通硅酸盐水泥112重量份、河沙147重量份、碎石255重量份、本实施例制备的预处理改性钢纤维16重量份、本实施例制备的改性导电填料70重量份、聚羧酸减水剂0.65重量份、水灰比0.44。
(3)先将所述水泥、河沙、碎石、改性钢纤维和改性导电填料置于搅拌机中搅拌混合10min，得到粉料。然后将所述减水剂和水加到所述粉料中搅拌10min，即得混凝土浆料。
将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成混凝土试件，并根据GB/T50081-2019标准测试龄期28天的试件抗压强度。另外，将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成用于测试电阻率的试件。结果为：抗压强度64.6MPa，电阻率152.3Ω·cm。
实施例4
一种高强高导电性混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将长度在10～13mm之间，直径在0.2～0.4mm之间的普通钢纤维在氧气浓度40％，湿度为90％的试验箱中保持48小时，以模拟进行加速氧化、腐蚀处理。完成后将得到的改性钢纤维烘干，得预处理钢纤维。
(2)取如下原料：42.5普通硅酸盐水泥90重量份、河沙118重量份、碎石204重量份、本实施例的预处理钢纤维10重量份、上述实施例1制备的改性导电填料55重量份、聚羧酸减水剂0.4重量份、水灰比0.4。
(3)先将所述水泥、河沙、碎石、改性钢纤维和改性导电填料置于搅拌机中搅拌混合10min，得到粉料。然后将所述减水剂和水加到所述粉料中搅拌10min，即得混凝土浆料。
将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成混凝土试件，并根据GB/T50081-2019标准测试龄期28天的试件抗压强度。另外，将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成用于测试电阻率的试件。结果为：抗压强度47.3MPa，电阻率528.4Ω·cm。
实施例5
1、一种改性钢纤维的制备方法，包括如下步骤：
(1)取长度在10～13mm之间，直径在0.2～0.4mm之间的钢纤维，备用。取质量分数为15％的FeCl3溶液，备用。按照所述钢纤维与FeCl3溶液与按照1.7ml：1g的比例，将FeCl3溶液喷洒在钢纤维表面，且在喷洒过程中不断翻动所述钢纤维，喷洒完毕后再搅拌3min。完成后将得到的润湿的钢纤维置于烘干机中于80℃保温45min，即得活化钢纤维，备用。
(2)按照1.8ml：1g的比例将质量分数为20％的NaOH溶液喷洒在所述活化钢纤维表面，并在喷洒过程中不断翻动所述活化钢纤维。完成后将得到的钢纤维置于烘干机中，并在空气气氛中于55℃保温50min进行氧化干燥，完成后继续自然晾干3小时，即得改性钢纤维，备用。
2、一种高强高导电性混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将本实施例制备的改性钢纤维在氧气浓度40％，湿度为90％的试验箱中保持48小时，以模拟进行加速氧化、腐蚀处理。完成后将得到的改性钢纤维烘干，即得预处理改性钢纤维。
(2)取如下原料：42.5普通硅酸盐水泥90重量份、河沙118重量份、碎石204重量份、本实施例制备的预处理改性钢纤维10重量份、上述实施例1制备的改性导电填料55重量份、聚羧酸减水剂0.4重量份、水灰比0.4。
(3)先将所述水泥、河沙、碎石、改性钢纤维和改性导电填料置于搅拌机中搅拌混合10min，得到粉料。然后将所述减水剂和水加到所述粉料中搅拌10min，即得混凝土浆料。
将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成混凝土试件，并根据GB/T50081-2019标准测试龄期28天的试件抗压强度。另外，将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成用于测试电阻率的试件。结果为：抗压强度53.6MPa，电阻率711.9Ω·cm。
实施例6
1、一种改性钢纤维的制备方法，包括如下步骤：
(1)取长度在13～16mm之间，直径在0.5～0.6mm之间的钢纤维，备用。按照水与按照1.3ml：1g的比例，将水喷洒在钢纤维表面，且在喷洒过程中不断翻动所述钢纤维，喷洒完毕后再搅拌3min。完成后将得到的润湿的钢纤维置于烘干机中于75℃保温60min，即得活化钢纤维，备用。
(2)将质量分数为25％的NaOH溶液与粒径在400～500目之间的导电炭黑按照1mL：0.10g的比例混合后超声分散20min形成改性分散液。然后按照改性分散液与活化钢纤维为1.7ml：1g的比例，将所述改性分散液喷洒在活化钢纤维表面，并在喷洒过程中不断翻动所述活化钢纤维。完成后将得到的钢纤维置于烘干机中，并在空气气氛中于60℃保温40min进行氧化干燥，完成后继续自然晾干2小时，即得改性钢纤维，备用。
2、一种高强高导电性混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将本实施例制备的改性钢纤维在氧气浓度40％，湿度为90％的试验箱中保持48小时，以模拟进行加速氧化、腐蚀处理。完成后将得到的改性钢纤维烘干，即得预处理改性钢纤维。
(2)取如下原料：42.5普通硅酸盐水泥105重量份、河沙130重量份、碎石225重量份、本实施例制备的预处理改性钢纤维14重量份、上述实施例2制备的改性导电填料62重量份、聚羧酸减水剂0.5重量份、水灰比0.42。
(3)先将所述水泥、河沙、碎石、改性钢纤维和改性导电填料置于搅拌机中搅拌混合10min，得到粉料。然后将所述减水剂和水加到所述粉料中搅拌10min，即得混凝土浆料。
将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成混凝土试件，并根据GB/T50081-2019标准测试龄期28天的试件抗压强度。另外，将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成用于测试电阻率的试件。结果为：抗压强度49.2MPa，电阻率648.4Ω·cm。
实施例7
一种高强高导电性混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)取如下原料：42.5普通硅酸盐水泥105重量份、河沙130重量份、碎石225重量份、上述实施例2制备的预处理改性钢纤维14重量份、导电填料(粒径450目的石墨粉)62重量份、聚羧酸减水剂0.5重量份、水灰比0.42。
(2)先将所述水泥、河沙、碎石、改性钢纤维和导电填料置于搅拌机中搅拌混合10min，得到粉料。然后将所述减水剂和水加到所述粉料中搅拌10min，即得混凝土浆料。
将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成混凝土试件，并根据GB/T50081-2019标准测试龄期28天的试件抗压强度。另外，将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成用于测试电阻率的试件。结果为：抗压强度51.5MPa，电阻率242.6Ω·cm。
实施例8
1、一种改性导电填料的制备方法，包括如下步骤：
(i)将聚丙烯酰胺胶粉与Cu(CO2CH3)2饱和溶液按照1g：40ml混合后搅拌至胶粉完全溶解形成胶液，然后按照硼氢化钠溶液与Cu2+的摩尔比＝1：4的比例，边搅拌边在所述胶液中加入质量分数为8％的硼氢化钠溶液反应30min。完成对得到的胶液在115℃蒸干至质量恒定，即得聚丙烯酰胺和纳米铜单质交联体粉体。
(ii)将所述交联体粉体在1380℃真空煅烧2小时，完成后冷却至室温，得到的煅烧产物研磨至300目，即得改性导电填料，备用。
3、一种高强高导电性混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)取如下原料：42.5普通硅酸盐水泥112重量份、河沙147重量份、碎石255重量份、上述实施例3制备的预处理改性钢纤维16重量份、本实施例制备的改性导电填料70重量份、聚羧酸减水剂0.65重量份、水灰比0.44。
(2)先将所述水泥、河沙、碎石、改性钢纤维和改性导电填料置于搅拌机中搅拌混合10min，得到粉料。然后将所述减水剂和水加到所述粉料中搅拌10min，即得混凝土浆料。
将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成混凝土试件，并根据GB/T50081-2019标准测试龄期28天的试件抗压强度。另外，将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成用于测试电阻率的试件。结果为：抗压强度57.5MPa，电阻率146.2Ω·cm。
实施例9
1、一种改性导电填料的制备方法，包括如下步骤：
(i)将葡萄糖粉与Cu(CO2CH3)2饱和溶液按照1g：40ml混合后搅拌至胶粉完全溶解形成混合液，然后按照硼氢化钠溶液与Cu2+的摩尔比＝1：4的比例，边搅拌边在所述混合液中加入质量分数为8％的硼氢化钠溶液反应30min。完成对得到的混合液在115℃蒸干至质量恒定，即得前驱体。
(ii)将氢氧化铝粉体和氢氧化钙粉体按照Ca：Al的摩尔比＝1.5：1的比例混合均匀，然后加入所述前驱体混合均匀形成混合料，所述前驱体与氢氧化铝粉体和氢氧化钙粉体的总质量比为1g：0.3g。将所述混合料在1380℃真空煅烧2小时，完成后冷却至室温，得到的煅烧产物研磨至300目，即得改性导电填料，备用。
2、一种高强高导电性混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)取如下原料：42.5普通硅酸盐水泥112重量份、河沙147重量份、碎石255重量份、上述实施例3制备的预处理改性钢纤维16重量份、本实施例制备的改性导电填料70重量份、聚羧酸减水剂0.65重量份、水灰比0.44。
(2)先将所述水泥、河沙、碎石、改性钢纤维和改性导电填料置于搅拌机中搅拌混合10min，得到粉料。然后将所述减水剂和水加到所述粉料中搅拌10min，即得混凝土浆料。
将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成混凝土试件，并根据GB/T50081-2019标准测试龄期28天的试件抗压强度。另外，将本实施例制备的混凝土浆体浇筑在模具中制备成用于测试电阻率的试件。结果为：抗压强度62.2MPa，电阻率203.7Ω·cm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种高强高导电性混凝土，其特征在于，所述导电性混凝土的原料组成包括如下组分：水泥胶凝材料90~112重量份、细骨料118~147重量份、粗骨料204~255重量份、改性钢纤维10~16重量份、改性导电填料55~70重量份、减水剂0.4~0.65重量份、水灰比为0.4~0.45；其中：所述改性钢纤维的表面由氢氧化铁包覆，且包覆层中掺杂了无机导电微粒；
所述改性钢纤维的制备方法包括如下步骤：
（1）在钢纤维表面喷洒含Fe3+的溶液进行润湿，干燥后得活化钢纤维，备用；
（2）将碱液与无机导电微粒混合形成改性分散液，将所述改性分散液喷洒在活化钢纤维表面，完成后在含氧环境中进行氧化干燥，即得表面具有氢氧化铁与无机导电微粒形成的混杂包覆层的改性钢纤维；
所述改性导电填料的制备方法包括如下步骤：
（i）将聚乙烯醇或聚丙烯酰胺胶粉、含Cu2+的饱和溶液混匀形成胶液，然后边搅拌边加入硼氢化钠溶液进行所述Cu2+的还原反应，然后对得到的胶液进行加热干燥，即得聚乙烯醇和纳米铜单质交联体粉体；
（ii）将所述交联体粉体与氢氧化铝粉体、氢氧化钙粉体混合均匀，将得到的混合料在真空或保护气氛中进行煅烧处理，完成后冷却至室温，即得改性导电填料；
步骤（1）中，所述含Fe3+的溶液与钢纤维的比例为1.3~1.85ml：1g，所述含Fe3+的溶液的质量分数为15~20%；
步骤（2）中，所述碱液与无机导电微粒的比例为1mL：0.1~0.14g，所述碱液的质量分数为15~25%；
步骤（2）中，所述改性分散液与活化钢纤维的比例为1.7~2.0ml：1g；
步骤（i）中，所述聚乙烯醇或聚丙烯酰胺胶粉、含Cu2+的饱和溶液的比例为1g：25~40ml；
步骤（i）中，所述硼氢化钠溶液与Cu2+的摩尔比为1：3.5~4；
步骤（ii）中，所述交联体粉体与氢氧化铝粉体和氢氧化钙粉体的总质量比为1g：0.2~0.3g，其中，所述氢氧化铝粉体和氢氧化钙粉体的比例按照Ca：Al的摩尔比为1.5：1进行添加。
2.根据权利要求1所述的高强高导电性混凝土，其特征在于，在喷洒所述含Fe3+的溶液过程中不断翻动所述钢纤维。
3.根据权利要求1所述的高强高导电性混凝土，其特征在于，步骤（1）中，所述钢纤维的长度为10~16mm，直径为0.2~0.6mm。
4.根据权利要求1所述的高强高导电性混凝土，其特征在于，步骤（1）中，所述含Fe3+的溶液包括FeCl3溶液、Fe2(SO4)3溶液、Fe(OH)(CH3COO)2溶液中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的高强高导电性混凝土，其特征在于，步骤（1）中，所述干燥温度为75~90℃，时间为40~60min，即得所述活化钢纤维。
6.根据权利要求1所述的高强高导电性混凝土，其特征在于，步骤（2）中，所述碱液包括氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾中溶液的任意一种。
7.根据权利要求1所述的高强高导电性混凝土，其特征在于，步骤（2）中，所述无机导电微粒包括导电炭黑、石墨粉中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的高强高导电性混凝土，其特征在于，步骤（2）中，所述无机导电微粒的粒径为400~600目。
9.根据权利要求1所述的高强高导电性混凝土，其特征在于，步骤（2）中，在喷洒所述改性分散液过程中不断翻动所述活化钢纤维。
10.根据权利要求1所述的高强高导电性混凝土，其特征在于，步骤（2）中，所述干燥温度为45~60℃，时间为40~60min，然后自然晾干2~3小时，即得所述改性钢纤维。
11.根据权利要求1所述的高强高导电性混凝土，其特征在于，所述含Cu2+的饱和溶液包括CuCl2饱和溶液、CuSO4饱和溶液、Cu(CO2CH3)2饱和溶液中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的高强高导电性混凝土，其特征在于，步骤（i）中，所述还原反应时间为20~30min。
13.根据权利要求1所述的高强高导电性混凝土，其特征在于，步骤（i）中，所述加热温度为90~115℃，并加热至产物质量不再变化，得所述交联体粉体。
14.根据权利要求1所述的高强高导电性混凝土，其特征在于，步骤（ii）中，所述煅烧处理的温度为1320~1380℃，煅烧时间为2~3小时；所述保护气氛包括氮气或惰性气体。
15.根据权利要求1所述的高强高导电性混凝土，其特征在于，步骤（ii）中，将所述冷却至室温得到的煅烧产物研磨至300~450目，即得所述改性导电填料。
16.权利要求1-15任一项所述的高强高导电性混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将所述水泥胶凝材料、细骨料、粗骨料、改性钢纤维、改性导电填料混匀，得到粉料；然后将所述减水剂和水加到所述粉料中，搅拌均匀，即得混凝土浆料。
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