本发明涉及导电材料
技术领域：
，更具体地，涉及一种超低电阻高强水泥基复合纤维材料及其制备方法。
背景技术：
：混凝土材料作为最常用的建筑结构材料，如果内部发生开裂或其他破坏过程，从外观上是不易察觉的，但这对地面大型建筑的性能以及安全性带来了潜在的威胁。冬季冰雪天气时，冰雪覆盖在道路表面容易引起车轮与地面的摩擦力下降，威胁出行安全，同时融冻循环过程会造成道路、机场混凝土材料体积膨胀与收缩，长期反复作用会降低地面的承载能力，最终形成各种道路、机场病害，影响使用寿命。混凝土材料本身导电性较差，添加导电相可改善其电阻率，使混凝土表现出一定的导电性，可以通过混凝土电阻率的变化预测混凝土基体内部的开裂破坏，降低冰雪融冻循环对道路、机场的破坏，延长使用寿命。在高雷暴地区，风电场因雷击线路导致线路跳闸检修，从经济及安全角度来说都造成了极大的损失，目前风电场集电线路接地普遍采用铺设水平接地体及垂直接地体相结合的方式达到降阻效果。针对目前施工状况普遍存在以下问题：一是，接地体的保持状况，无法满足永久性要求，即40年；二是，在土壤高电阻率地区，地表岩石较多，接地沟开挖施工困难地区；三是，近年来接地沟施工，占用林地，常规土地较多；四是，接地沟施工过程中，有些接地沟穿越农田、山地、林地等，施工完成后人们在日常生产中，容易对接地装置进行破坏，对线路的运行造成很大的安全隐患。可以利用导电混凝土的导电性能，将导电混凝土包在接地体的周围，就相当于把电极尺寸扩大，使接地电阻降低。随着电网建设规模的不断扩大和输电走廊的日渐紧张，在高土壤体积电阻率(最高可达数千)的场所建设输电线路的情况变得常见。同时全国联网战略实现过程中超/特高压输变电系统快速增加，电力输送容量增大，对于故障电流的要求也相应增加。《gb50065-2011交流电气装置的接地设计规范》要求最大接地电阻r≤2000/ig(ig为经接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值)，在高土壤体积电阻率、大电力输送容量的条件下，输电线路接地规程不容易满足。在普通混凝土中添加一定量的导电组分可制成具有导电性能的水泥基复合材料，水泥基导电复合材料既具有结构材料的特性，又有导电材料的特性，能够与接地体表面和地层紧密结合，能显著地改善接地网的接地效果。公开号为cn101121582a的中国专利文献公开了一种压敏水泥基复合材料(能够通过电阻率的变化感知自身的应力、应变、损伤和温度)，由水泥基材料和功能组分(镍粉或者镍粉与碳纤维、炭黑、石墨、钢渣中一种或几种的混合物)组成，其中功能组分占总重量的1～80％。该压敏水泥基复合材料成本高，力学性能差。公开号为cn106673566a的中国专利文献公开了一种复合型导电砂浆，材料组分包括：水泥20～35份、粉煤灰5～10份、导电材料1～5份、石英砂20～50份、助剂1～5份、水15～35份。改复合型导电砂浆水胶比大，力学性能差。综上所述，导电混凝土既有结构材料的特点，又具有导电性特性，目前有着广泛的应用领域：它既可以用作电工材料，如接地装置、建筑物的避雷设备、断路器的合闸电阻、消除静电装置、金属阴极保护系统等；还可以利用它的力-电相关特性制成一种机敏智能材料，可用于混凝土结构的非破损检查评估，也可用于高速公路的自动监控、运动车辆的重量称量，大型结构(如核电站设施、大坝)的微裂纹监测等。但是，传统导电混凝土还存在力学性能和导电性能不佳的问题，因此还需对其进行研究。技术实现要素：有鉴于此，本发明为克服上述现有技术所述的至少一种不足，提供一种力学性能好、耐久性能好、电阻率低、导电性能好的超低电阻高强水泥基复合纤维材料及其制备方法，解决传统导电混凝土力学性能差、导电性能不好等缺点。为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：一种超低电阻高强水泥基复合纤维材料，包括以下重量份数的原料：强度不低于32.5mpa的水泥300～500份；平均粒径5～30μm的掺合料260～400份；平均粒径0.15～4.75mm的配重铁砂600～1000份；平均粒径0.15～4.75mm的细骨料200～400份；石墨粉10～30份；长度12～14mm的碳纤维1～5份；炭黑粉10～20份；钢纤维60～90份；亲水性聚合物粉体2～4份；高性能外加剂15～25份；水胶比0.16～0.2。所述超低电阻高强水泥基复合纤维材料抗压强度不低于100mpa、抗折强度不低于15mpa、电阻率不高于10ω.m。在上述超低电阻高强水泥基复合纤维材料中，配重铁砂为表观密度为3.5～4.5g/cm3的低比重铁砂，由褐铁矿石或硫铁矿石经破碎筛分而得，在本发明中一方面起骨架支撑作用，另一方面降低电阻率、提高导电性能作用。所述钢纤维为端钩钢纤维和镀铜钢纤维的组合，端钩钢纤维的长度为25～60mm、直径为0.25～0.75mm，镀铜钢纤维的长度为15～25mm、直径为0.1～0.25mm，端钩钢纤维与镀铜钢纤维的质量百分比为20％～70％：30％～80％，在本发明中一方面增强力学性能，另一方面降低电阻率、提高导电性能。在所述超低电阻高强水泥基复合纤维材料中，添加上述配比的石墨粉、碳纤维、炭黑粉，可降低电阻率、提高导电性能。所述亲水性聚合物粉体包括聚丙烯酸盐、羟丙基甲基纤维素醚或其衍生物。亲水性聚合物粉体的选择依据在于吸水率高、环保，提高导电性能。所述掺合料为硅灰、矿粉、粉煤灰、陶瓷抛光粉、钢渣粉中的一种或多种组成。在本发明中掺合料包括如下重量百分比的原料：硅灰0～100％、矿粉0～70％、粉煤灰0～50％、陶瓷抛光粉0～60％、钢渣粉0～80％。所述细骨料为河砂、石英砂或机制砂中的一种或多种组合，在本发明中起骨架支撑作用。所述高性能外加剂为聚羧酸系减水剂或氨基羧酸系减水剂。优选地，所述超低电阻高强水泥基复合纤维材料包括以下重量份数的原料：强度不低于32.5mpa的水泥350～450份；平均粒径5～30μm的掺合料295～365份；平均粒径0.15～4.75mm的配重铁砂700～900份；平均粒径0.15～4.75mm的细骨料250～350份；石墨粉15～25份；长度12-14mm的碳纤维2～4份；炭黑粉12.5～17.5份；钢纤维70～80份；亲水性聚合物粉体2.5～3.5份；高性能外加剂17.5～22.5份；水胶比0.17～0.19。更优选地，所述超低电阻高强水泥基复合纤维材料包括以下重量份数的原料：强度不低于32.5mpa的水泥400份；平均粒径5～30μm的掺合料330份；平均粒径0.15～4.75mm的配重铁砂800份；平均粒径0.15～4.75mm的细骨料300份；石墨粉20份；长度12-14mm的碳纤维3份；炭黑粉15份；钢纤维75份；亲水性聚合物粉体3份；高性能外加剂20份；水胶比0.18。所述超低电阻高强水泥基复合纤维材料的制备方法包括以下步骤：s1.按照超低电阻高强水泥基复合纤维材料的配合比计算各原料用量，将配重铁砂、细骨料、钢纤维及40％的水预先搅拌1～2分钟，得预湿的骨料；s2.将全部水泥、掺合料、石墨粉、炭黑粉加入到步骤s1所得预湿的骨料中，搅拌1～2分钟，然后加入全部高性能外加剂和剩余的60％水，充分搅拌2～3分钟，得均匀混合物；s3.将碳纤维、亲水性聚合物粉体加入到步骤s2所得的均匀混合物中，充分搅拌1～2分钟，得到超低电阻高强水泥基复合纤维材料拌合物；s4.将步骤s3制得的超低电阻高强水泥基复合纤维材料拌合物浇筑后在室温下养护24小时，再进行加热升温至80～90℃恒温养护24小时即可得到力学性能好、导电性能好的超低电阻高强水泥基复合纤维材料。本发明与现有技术相比较有如下有益效果：本发明的超低电阻高强水泥基复合纤维材料力学性能好、耐久性能好、电阻率低、导电性能好，抗压强度不低于100mpa、抗折强度不低于15mpa、电阻率不高于10ω.m，适合超低电阻高强水泥基复合纤维材料的发展与应用。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。实施例1一种超低电阻高强水泥基复合纤维材料，包括以下重量份数的原料：强度不低于32.5mpa的水泥300份；平均粒径5～30μm的掺合料260份；平均粒径0.15～4.75mm的配重铁砂600份；平均粒径0.15～4.75mm的细骨料200份；石墨粉10份；长度12-14mm的碳纤维1份；炭黑粉10份；钢纤维60份；亲水性聚合物粉体2份；高性能外加剂15份；水胶比0.16。其中，所述掺合料包括如下重量百分比的原料：硅灰28％、矿粉19％、粉煤灰14％、陶瓷抛光粉17％、钢渣粉22％；所述配重铁砂为表观密度为3.5～4.5g/cm3的低比重铁砂，由褐铁矿石或硫铁矿石经破碎筛分而得；所述细骨料为河砂、石英砂、机制砂的组合；所述钢纤维为端钩钢纤维和镀铜钢纤维的组合，端钩钢纤维的长度为25～60mm、直径为0.25～0.75mm，镀铜钢纤维的长度为15～25mm、直径为0.1～0.25mm，端钩钢纤维与镀铜钢纤维的质量百分比为45％:55％；所述亲水性聚合物粉体包括聚丙烯酸盐、羟丙基甲基纤维素醚及其衍生物；所述高性能外加剂为聚羧酸系减水剂或氨基羧酸系减水剂。。所述超低电阻高强水泥基复合纤维材料的制备方法包括以下步骤：s1.按照超低电阻水泥基复合纤维材料的配合比计算各原材料用量，将配重铁砂、细骨料、钢纤维及40％的水预先搅拌1～2分钟，得预湿的骨料；s2.将全部水泥、掺合料、石墨粉、炭黑粉加入到步骤s1所得预湿的骨料中，搅拌1～2分钟，然后加入全部外加剂和剩余的60％水，充分搅拌2～3分钟，得均匀混合物；s3.将炭纤维、亲水性聚合物粉体加入到s2步骤的均匀混合物中，充分搅拌1～2分钟，得到超低电阻水泥基复合纤维材料拌合物；s4.将步骤s3制得的超低电阻水泥基复合纤维材料拌合物浇筑后，采用室温养护24小时后，进行加热升温至80～90℃，恒温养护24小时即可得到力学性能好、导电性能好的超低电阻高强水泥基复合纤维材料。实施例2除超低电阻高强水泥基复合纤维材料的配方不同外，其他条件同实施例1。所述超低电阻高强水泥基复合纤维材料包括以下重量份数的原料：强度不低于32.5mpa的水泥500份；平均粒径5～30μm的掺合料400份；平均粒径0.15～4.75mm的配重铁砂1000份；平均粒径0.15～4.75mm的细骨料400份；石墨粉30份；长度12～14mm的碳纤维5份；炭黑粉20份；钢纤维90份；亲水性聚合物粉体4份；高性能外加剂25份；水胶比0.2。其中，所述掺合料为硅灰；所述配重铁砂为表观密度为3.5～4.5g/cm3的低比重铁砂，由褐铁矿石或硫铁矿石经破碎筛分而得；所述细骨料为河砂、石英砂、机制砂的组合；所述钢纤维为端钩钢纤维和镀铜钢纤维的组合，端钩钢纤维的长度为25～60mm、直径为0.25～0.75mm，镀铜钢纤维的长度为15～25mm、直径为0.1～0.25mm，端钩钢纤维与镀铜钢纤维的质量百分比为20％:80％；所述亲水性聚合物粉体包括聚丙烯酸盐、羟丙基甲基纤维素醚及其衍生物；所述高性能外加剂为聚羧酸系减水剂或氨基羧酸系减水剂。。实施例3除超低电阻高强水泥基复合纤维材料的配方不同外，其他条件同实施例1。所述超低电阻高强水泥基复合纤维材料包括以下重量份数的原料：强度不低于32.5mpa的水泥350份；平均粒径5～30μm的掺合料295份；平均粒径0.15～4.75mm的配重铁砂700份；平均粒径0.15～4.75mm的细骨料250份；石墨粉15份；长度12-14mm的碳纤维2份；炭黑粉12.5份；钢纤维70份；亲水性聚合物粉体2.5份；高性能外加剂17.5份；水胶比0.17。其中，所述掺合料包括如下重量百分比的原料：矿粉35％、粉煤灰25％、钢渣粉40％；所述配重铁砂为表观密度为3.5～4.5g/cm3的低比重铁砂，由褐铁矿石或硫铁矿石经破碎筛分而得；所述细骨料为河砂、石英砂、机制砂的组合；所述钢纤维为端钩钢纤维和镀铜钢纤维的组合，端钩钢纤维的长度为25～60mm、直径为0.25～0.75mm，镀铜钢纤维的长度为15～25mm、直径为0.1～0.25mm，端钩钢纤维与镀铜钢纤维的质量百分比为70％:30％；所述亲水性聚合物粉体包括聚丙烯酸盐、羟丙基甲基纤维素醚及其衍生物；所述高性能外加剂为聚羧酸系减水剂或氨基羧酸系减水剂。。实施例4除超低电阻高强水泥基复合纤维材料的配方不同外，其他条件同实施例1。所述超低电阻高强水泥基复合纤维材料包括以下重量份数的原料：强度不低于32.5mpa的水泥450份；平均粒径5～30μm的掺合料365份；平均粒径0.15～4.75mm的配重铁砂900份；平均粒径0.15～4.75mm的细骨料350份；石墨粉25份；长度12-14mm的碳纤维4份；炭黑粉17.5份；钢纤维80份；亲水性聚合物粉体3.5份；高性能外加剂22.5份；水胶比0.19。实施例5除超低电阻高强水泥基复合纤维材料的配方不同外，其他条件同实施例1。所述超低电阻高强水泥基复合纤维材料包括以下重量份数的原料：强度不低于32.5mpa的水泥400份；平均粒径5～30μm的掺合料330份；平均粒径0.15～4.75mm的配重铁砂800份；平均粒径0.15～4.75mm的细骨料300份；石墨粉20份；长度12-14mm的碳纤维3份；炭黑粉15份；钢纤维75份；亲水性聚合物粉体3份；高性能外加剂20份；水胶比0.18。对比例1除了配重铁砂300份外，其他条件同实施例1。对比例2除了石墨粉2份外，其他条件同实施例1。对比例3除了碳纤维0份外，其他条件同实施例1。对比例4除了钢纤维10份外，其他条件同实施例1。对比例5除了石墨粉60份外，其他条件同实施例1。对比例6除了配重铁砂1200份外，其他条件同实施例1。采用实施例1～5、对比例1～6制备的材料制作混凝土标准试件，对混凝土标准试件进行力学性能、导电性能测试，实验数据见下表。表1材料性能检测结果项目抗压强度(mpa)抗折强度(mpa)电阻率(ω.m)实施例1105.815.93.6实施例2126.817.62.3实施例3112.316.33.1实施例4120.517.12.7实施例5130.618.11.9对比例190.213.717.7对比例2106.516.119.8对比例3105.715.816.3对比例473.58.925.8对比例568.57.43.4对比例680.810.14.3从表1来看，对比例1配重铁砂300份，与实施例1对比，抗压强度和抗折强度下降较少，电阻率增加较多；对比例2石墨粉2份，与实施例1对比，抗压强度和抗折强度略有增长，电阻率增加较多；对比例3碳纤维0份，与实施例1对比，抗压强度和抗折强度基本没变化，电阻率增加较多；对比例4钢纤维10份，与实施例1对比，抗压强度和抗折强度下降较多，电阻率增加较多；对比例5石墨粉60份，与实施例1对比，抗压强度和抗折强度下降较多，电阻率略有降低；对比例6配重铁砂1200份，与实施例1对比，抗压强度和抗折强度均下降较多，电阻率增加较少。通过大量试验，在本发明所选取的配重铁砂、石墨粉、碳纤维、钢纤维为最优。上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。当前第1页12