本发明属于输电线路的防雷保护接地工程领域，具体涉及一种导电混凝土及其制备方法。
背景技术
雷击现象是一种较为严重的自然灾害，输电线路的防雷保护接地技术，直接关系到供电系统的安全运行。接地装置满足接地电阻的设计运行要求，是电力、铁路、石油天然气、通信设施安全稳定运行的可靠保障。
目前电力输电线路杆塔接地装置传统的设计施工方案，都是采用扩大地网面积，人工敷设钢接地极的方法满足接地装置接地电阻值的要求。土壤电阻率高的地区，要求开挖长度在700米左右，造成植被破坏严重，赔地、赔青费用极高，人力物力资源浪费极大。
混凝土基础的自然接地装置，既要满足接地设计电阻要求和设计强度要求，又要满足在长期使用环境条件下的电阻稳定性和耐腐蚀性。因此，为了设施安全稳定运行、满足环保要求以及施工的方便，研制导电性能和力学性能优良、电阻稳定性和耐腐蚀性好的接地导电混凝土，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。
中国专利cn1483699a公开了一种接地导电混凝土，由水泥45～70、石墨15～35、膨胀剂8～10、熟石膏7～10组成。
中国专利cn106495607a公开了一种导电混凝土及其制作方法和应用，由：碳纤维6～9份、钢纤维43～50份、石墨68～78份、分散剂1.38～1.58份、防腐剂10～15份、减水剂5.2～6份组成。
碳纤维在生产过程中，表面会有一层树脂胶，具有疏水性，与水的润湿性低，直接加入混凝土中容易结团而影响其均匀分散。国内外众多学者主要通过加入羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素等分散剂等来提高其在混凝土中分布的均匀程度，但是分散剂的掺入会使混凝土变得干涩、缺乏粘结力，施工困难，并且仅在碳纤维掺量较低时对碳纤维有一定的分散效果，在碳纤维掺量较高时碳纤维的结团现象依然严重。
石墨是高碳含量的化合物，由于碳颗粒的润滑性以及石墨与水泥浆的粘聚性差，导致了石墨导电混凝土的低强特性。低掺量的石墨降低了石墨颗粒间相互接触的可能性，起不到良好的导电作用，而高掺量的石墨严重降低了混凝土的力学性能，因此限制了石墨导电混凝土在接地工程中的应用。
钢纤维由于其本身的特性，在混凝土高碱性环境中易氧化腐蚀，混凝土的电阻率明显增大，因此钢纤维一般不能单独作为导电混凝土的唯一导电性材料。
采用石墨、碳纤维和钢纤维的两相或多相导电材料复合制备导电混凝土是提高导电混凝土导电性能和电阻率稳定性的主要手段，但是采用尺度和种类相差较大的导电材料时，由于不同导电材料分散性差异以及相容性较差，会导致不同类型的导电材料难以相互搭接形成导电网络，反而使电阻率稳定性显著降低。此外，复相导电混凝土的制备工艺更加复杂，也一定程度限制了复相导电混凝土的工程应用。
另外，现有的接地导电混凝土的制备一般为干拌或湿拌，干拌法的主要步骤为：①首先称取配置混凝土所需用水量，然后将减水剂加入搅拌均匀。②将称量好的各种干料(碎石、砂子、石墨和碳纤维、水泥)依次加入搅拌机中搅拌。③加入含有减水剂的水溶液搅拌至所需的工作性。干拌法的拌和工艺简单，但是碳纤维不易分散均匀，容易出现结团、集束现象，导致混凝土的电阻率增大，抗压强度降低，降低了导电混凝土的导电性能和力学性能。
湿拌法的主要步骤为：①首先称取配置混凝土所需用水量，然后将分散剂置于其中，缓缓搅拌使其充分溶解。分散剂溶解完毕后加入碳纤维丝和消泡剂、减水剂，此后不断缓慢搅拌直至碳纤维呈现均匀分散状态。②将粗细集料加入搅拌机干拌，然后加入石墨和水泥，一起混合后搅拌均匀。③将碳纤维分散水溶液添加到已拌和其它材料的搅拌机中拌和至所需的工作性。湿拌法拌和工艺较复杂，在碳纤维掺量较低的时候能够将碳纤维较均匀地分散在混凝土中，但是由于加入了分散剂导致混凝土的抗压强度下降。当碳纤维掺量较高时，由于碳纤维丝和分散剂、消泡剂、减水剂的水溶液非常粘稠，导致碳纤维难以分散均匀、出现结团现象，并且会导致混凝土拌和物非常干涩，几乎没有流动性，缺乏粘结力，严重降低导电混凝土的抗压强度和导电性能。
综上，现有的接地导电混凝土仍存在组分复杂、拌和工艺不佳以及导电性能以及力学性能不理想等技术不足。
技术实现要素：
为解决现有技术问题，本发明第一目的在于，提供一种接地导电复合胶凝材料，旨在提升材料的导电率，改善电阻稳定性。
本发明第二目的在于，提供一种接地导电复合胶凝材料的应用，旨在通过该材料的应用，获得具有优异性能的混凝土。
本发明第三目的在于，提供一种包含所述接地导电复合胶凝材料的接地导电混凝土，旨在提升得到的导电混凝土的导电率，还明显改善其在不同温度以及湿度等条件下的电阻稳定性，此外，还提供得到的混凝土的力学性能以及耐腐蚀性能。
本发明第四目的在于，提供一种接地导电混凝土的制备方法(拌和方法)，旨在通过不同的操作工艺的控制，制得导电率以及电阻稳定性优异的接地导电混凝土。
一种接地导电复合胶凝材料，包括水泥、亚硝酸钙和碳纤维。
本发明人通过大量研究发现，在水泥中添加亚硝酸钙和碳纤维，可以明显协同提升材料的导电性和力学性能，此外，还可意外改善得到的材料的电阻稳定性，使其在不同环境条件下均能获得良好的导电效果。
本发明中，所述的亚硝酸钙作为导电增强阻锈剂，其的添加，可以显著改善导电混凝土的物理力学性能，明显改善导电混凝土的导电性能以及电阻稳定性。所述的电阻稳定性的提升，对于户外使用的接地导电材料，显得尤为重要。
所述的水泥可为现有常规水泥材料，例如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥；型号可以采用32.5、42.5、52.5、62.5。
作为优选，所述的碳纤维的性能参数为长径比600～860，密度1700～1800kg/m3，体积电阻率1.5×10-3ω·cm，抗拉强度在3.5～4.5gpa。
进一步优选，所述的碳纤维的长度6～7mm。
所述的亚硝酸钙可为工业级或者更高纯度的物料，所述的亚硝酸钙允许含有结晶水。
作为优选，所述的接地导电复合胶凝材料中，所述的水泥重量份为100份，所述的亚硝酸钙的重量份为1～5份；所述的碳纤维的的重量份为0.7～4份。本发明人研究发现，在该优选的重量份下，接地导电复合胶凝材料的性能更优异。
本发明所述的接地导电复合胶凝材料，还包含减水剂；所述的减水剂的重量份不高于5份；优选为1～3份。研究发现，添加所述重量份的减水剂，可以进一步和其他组分配合，改善得到的材料在导电率、电阻稳定性以及力学性能方面的性能。
理论上，现有减水剂均可应用至本发明中，作为优选，所述的减水剂为聚羧酸高性能减水剂和/或水溶性树脂系高效减水剂。
本发明还提供了一种所述的接地导电复合胶凝材料的应用，将其和骨料以及水拌和，得到接地导电混凝土。
本发明所述的应用，通过所述的创新性的导电复合胶凝材料的使用，可明显改善得到的导电混凝土的导电率，提升电阻稳定性，使其在变幻莫测的户外条件下均能发挥优异的导电效果，此外，还能保证良好的力学性能，使其适用于不同户外环境。
本发明所述的应用，所述的骨料可为现有常规物料，例如为砂、石头等材料。
本发明还提供了一种接地导电混凝土，包括所述的接地导电复合胶凝材料，还包含砂、碎石和水。
本发明所述的接地导电混凝土，包括水泥、亚硝酸钙、碳纤维、砂、碎石和水；还选择性含有减水剂。通过所述的创新性的导电复合胶凝材料中的组分的协同，可以明显改善接地导电混凝土的力学性能，提升其导电率，更出人意料地是，还可明显提升其电阻稳定性。
本发明所述的接地导电混凝土，添加了本领域公认的不利于提升导电率的碎石，即使如此，本发明在所述的创新的导电复合胶凝材料的作用下，仍能表现出优异的导电性能，通过研究发现，本发明添加有碎石的接地导电混凝土，其导电率可以达到甚至是超越现有砂浆(仅用细砂为骨料)的导电性能；不仅如此，本发明所述的接地导电混凝土还可以明显提升力学强度以及电阻稳定性，大大降低生产成本，更利于工业实际应用。
本发明所述的接地导电混凝土中，所述的水灰质量比为0.42～0.50。所述的水灰比是指混凝土中水的用量与接地导电复合胶凝材料中的水泥用量的重量比值。
本发明中，所述的砂可以为天然河砂。
作为优选，所述的砂的粒径为0.15mm～4.75mm。砂的级配、细度模数、有害物质含量、含泥量、泥块含量和石粉含量、坚固性应符合jgj52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》。
所述的接地混凝土中，砂的重量份为20～28份。也即是，100重量份的水泥混凝土下，优选添加20～28重量份的砂。
作为优选，所述的碎石的粒径为4.75mm～16mm。碎石的有害杂质含量、针片状颗粒含量、级配、强度和坚固性应符合jgj52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》。
本发明中，接地导电混凝土中，所述的砂率为0.32～0.42(重量比)。通过所述粒径以及质量比的碎石和砂的配合使用，可进一步改善得到的接地导电混凝土的导电性，还能改善其力学性能。
进一步优选，所述的接地导电混凝土中，包括普通硅酸盐水泥、天然河砂、碎石、水和、减水剂、导电增强阻锈剂和碳纤维；水灰比0.42～0.50(重量比)，砂率0.32～0.42(重量比)，减水剂用量为水泥质量的1％～5％，导电增强阻锈剂(亚硝酸钙)用量为水泥质量的1％～5％，碳纤维掺量为基准混凝土体积的0.2％～1.0％。优选的接地导电混凝土，其配方简单、导电性能和力学性能优良、电阻稳定性和耐腐蚀性好。
进一步优选，亚硝酸钙用量为水泥质量的1.5％～2.5％。
进一步优选，所述的碳纤维掺量为基准混凝土体积的0.5％～0.7％。
本发明还创新性地提出了一种所述的接地导电混凝土的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)：按所述的比例，称取各组分；
将减水剂以及亚硝酸钙溶解在水中，得到混合溶液；
将水泥、砂和碎石搅拌混合得混合料；
步骤(2)：向混合料中加入所述的混合溶液，搅拌后再加入所述的碳纤维；拌和至所需的工作性，得到所述的接地导电混凝土。
本发明所述的制备方法，在所述的创新的成分基础上，配合所述的独特的拌和物料投加方式(制备方法)，可无需如现有技术需要添加分散剂的前提下，使各组分充分拌和，特别是可有效避免碳纤维团聚，有效提升得到的混凝土的导电性，明显提升电阻稳定性，此外，还可改善混凝土的力学性能。
本发明制备工艺简单、施工方便、导电相分散效果好、接地特性优良的导电混凝土制备方法。
本发明一种优选的接地导电混凝土的制备方法，包括如下步骤：
步骤①首先称取配置混凝土所需用水量，然后将减水剂和亚硝酸钙加入搅拌均匀。
步骤②将称量好的各种干料(碎石、砂子和水泥)依次加入搅拌机中搅拌1-5min。
步骤③加入含有减水剂和导电增强阻锈剂的水溶液搅拌1-5min，然后加入碳纤维，搅拌2-5min至所需工作性。
本发明的效果
1、本发明通过亚硝酸钙的使用，利用其与碳纤维良好的协同性，提升复合胶凝材料的性能。
2、通过所述的创新的复合胶凝材料的使用，可明显提升得到的混凝土的导电率以及力学性能，此外，还可意外提升混凝土的电阻稳定性；
研究发现，本发明所述的成分，在添加碎石的前提下，仍能达到优异的导电率；例如，本发明的接地导电混凝土标准养护28d电阻率ρ≤2ω·m，具有很好的导电特性，是杆塔理想的自然接地装置。
本发明的接地导电混凝土在不同温度和湿度条件下具有很好的电阻稳定性，温度从-10℃增加到60℃电阻率变化不超过0.6ω·m，湿度从干燥变为潮湿电阻率变化不超过0.3ω·m。
本发明的接地导电混凝土冲击电流耐受要求δr％≤20％，即使在雷电流泄放时，接地电阻稳定，混凝土也不会受任何影响。
3、本发明所述的接地导电混凝土，在保证良好的导电性能的前提下，还提升了抗压强度；研究发现，本发明的接地导电混凝土抗压强度在c30-c60之间，能够根据设计要求，制作出不同等级抗压强度的导电混凝土，适应于所有的混凝土基础自然接地装置的接地工程。
4、本发明的接地导电混凝土对钢接地极具有很好的耐腐蚀性能，将埋设了钢板的导电混凝土埋入地下60天后，外观检查，钢板表面光滑，无腐蚀痕迹，能很好地在工程中使用。
5、本发明通过所述的创新的组分协同，配合本发明创新的拌和方法(制备方法)，可在无需添加分散剂的前提下，即可是物料充分拌和，有效避免碳纤维的团聚，即使在较高的碳纤维掺入下，也能有效避免团聚，是物料充分拌和分散；如此，可进一步发挥所述的创新物料之间的协同效果，可以进一步提升得到的混凝土的力学以及导电率性能，还可明显改善电阻稳定性。
具体实施方式
实施例1
一种接地导电混凝土的原材料采用普通硅酸盐水泥(42.5)、天然河砂(0.15mm～4.75mm)、碎石(4.75mm～16mm)、水和减水剂(ht-hpc型聚羧酸高性能减水剂)、亚硝酸钙和碳纤维(纤维长度6mm、单丝直径7-10um，密度1760kg/m3，抗拉强度在3.8gpa，体积电阻率1.5×10-3ω·cm。)；水灰比0.46(重量比)，砂率0.34(重量比)，减水剂用量为水泥质量的2％，亚硝酸钙用量为水泥质量的2％，碳纤维掺量为基准混凝土体积的0.6％，砂的用量564kg/m3。
将上述各组分制成本发明接地导电混凝土的制备方法如下：
①首先称取配置混凝土所需用水量，然后将减水剂和亚硝酸钙加入搅拌均匀。
②将称量好的各种干料(碎石、砂子和水泥)依次加入搅拌机中搅拌1min。
③加入含有减水剂和亚硝酸钙的水溶液搅拌1min，然后加入碳纤维，搅拌2min至所需工作性。
测试结果：标准养护28d后的电阻率为0.72ω·m、抗压强度44.8mpa、抗折强度6.1mpa；测试温度从-10℃升高到60℃，电阻率下降幅度为0.31ω·m；试件由干燥状态到潮湿状态，电阻率下降幅度为0.18ω·m。
实施例2
一种接地导电混凝土的原材料采用普通硅酸盐水泥(42.5)、天然河砂(0.15mm～4.75mm)、碎石(4.75mm～16mm)、水和减水剂(ht-hpc型聚羧酸高性能减水剂)、亚硝酸钙和碳纤维(纤维长度6mm、单丝直径7-10um，密度1760kg/m3，抗拉强度在3.8gpa体积电阻率1.5×10-3ω·cm。)；水灰比0.46(重量比)，砂率0.34(重量比)，减水剂用量为水泥质量的2％，亚硝酸钙用量为水泥质量的2％，碳纤维掺量为基准混凝土体积的0.4％，砂的用量613kg/m3。
将上述各组分制成本发明接地导电混凝土的制备方法如下：
①首先称取配置混凝土所需用水量，然后将减水剂和导电增强阻锈剂加入搅拌均匀。
②将称量好的各种干料(碎石、砂子和水泥)依次加入搅拌机中搅拌1min。
③加入含有减水剂和导电增强阻锈剂的水溶液搅拌1min，然后加入碳纤维，搅拌2min至所需工作性。
测试结果：标准养护28d后的电阻率为5.92ω·m(满足接地材料电阻率小于10ω·m的要求)、抗压强度39.7mpa、抗折强度5.6mpa；测试温度从-10℃升高到60℃，电阻率下降幅度为2.41ω·m；试件由干燥状态到潮湿状态，电阻率下降幅度为0.72ω·m。
对比例1
和实施例1相比，主要区别在于，未添加亚硝酸钙，具体如下：
一种接地导电混凝土的原材料采用普通硅酸盐水泥(42.5)、天然河砂(0.15mm～4.75mm)、碎石(4.75mm～16mm)、水和减水剂(ht-hpc型聚羧酸高性能减水剂)和碳纤维(纤维长度6mm、单丝直径7-10um，密度1760kg/m3，抗拉强度在3.8gpa，体积电阻率1.5×10-3ω·cm。)；水灰比0.46(重量比)，砂率0.34(重量比)，减水剂用量为水泥质量的2％，碳纤维掺量为基准混凝土体积的0.6％，砂的用量564kg/m3。
将上述各组分制成本发明接地导电混凝土的制备方法如下：
①首先称取配置混凝土所需用水量，然后将减水剂加入搅拌均匀。
②将称量好的各种干料(碎石、砂子和水泥)依次加入搅拌机中搅拌1min。
③加入含有减水剂的水溶液搅拌1min，然后加入碳纤维，搅拌2min至所需工作性。
测试结果：标准养护28d后的电阻率为2.85ω·m、抗压强度38.9mpa、抗折强度5.8mpa；测试温度从-10℃升高到60℃，电阻率下降幅度为0.97ω·m；试件由干燥状态到潮湿状态，电阻率下降幅度为0.46ω·m。和实施例1相比，未添加亚硝酸钙，导致导电混凝土电阻率明显增大，抗压强度和抗折强度明显减小，温度上升或湿度增大时电阻率下降幅度明显上升。
对比例2
和实施例1相比，主要区别在于，采用亚硝酸钠替换其中的亚硝酸钙。
一种接地导电混凝土的原材料采用普通硅酸盐水泥(42.5)、天然河砂(0.15mm～4.75mm)、碎石(4.75mm～16mm)、水和减水剂(ht-hpc型聚羧酸高性能减水剂)、亚硝酸钠和碳纤维(纤维长度6mm、单丝直径7-10um，密度1760kg/m3，抗拉强度在3.8gpa，体积电阻率1.5×10-3ω·cm。)；水灰比0.46(重量比)，砂率0.34(重量比)，减水剂用量为水泥质量的2％，亚硝酸钠用量为水泥质量的2％，碳纤维掺量为基准混凝土体积的0.6％，砂的用量564kg/m3。
将上述各组分制成本发明接地导电混凝土的制备方法如下：
①首先称取配置混凝土所需用水量，然后将减水剂和亚硝酸钠加入搅拌均匀。
②将称量好的各种干料(碎石、砂子和水泥)依次加入搅拌机中搅拌1min。
③加入含有减水剂和亚硝酸钠的水溶液搅拌1min，然后加入碳纤维，搅拌2min至所需工作性。
测试结果：标准养护28d后的电阻率为1.81ω·m、抗压强度43.3mpa、抗折强度6.0mpa；测试温度从-10℃升高到60℃，电阻率下降幅度为0.59ω·m；试件由干燥状态到潮湿状态，电阻率下降幅度为0.28ω·m。和实施例1相比，研究发现，采用亚硝酸钠相较于亚硝酸钙的电阻率明显增加，且抗压、抗折强度以及电阻稳定性有所下降。
对比例3
和实施例1相比，主要区别在于，制备方法采用湿拌法替换其中的半干拌法。
一种接地导电混凝土的原材料采用普通硅酸盐水泥(42.5)、天然河砂(0.15mm～4.75mm)、碎石(4.75mm～16mm)、水和分散剂(羟丙基甲基纤维素)、消泡剂(磷酸三丁酯)、减水剂(ht-hpc型聚羧酸高性能减水剂)、亚硝酸钙和碳纤维(纤维长度6mm、单丝直径7-10um，密度1760kg/m3，抗拉强度在3.8gpa，体积电阻率1.5×10-3ω·cm。)；水灰比0.46(重量比)，砂率0.34(重量比)，分散剂为水泥质量的0.35％，消泡剂为水泥质量的0.03％、减水剂用量为水泥质量的2％，亚硝酸钙用量为水泥质量的2％，碳纤维掺量为基准混凝土体积的0.6％，砂的用量564kg/m3。
将上述各组分制成本发明接地导电混凝土的制备方法如下：
①首先称取配置混凝土所需用水量，然后将分散剂置于其中，缓缓搅拌使其充分溶解。分散剂溶解完毕后加入碳纤维丝和消泡剂、减水剂、导电增强阻锈剂，此后不断缓慢搅拌直至碳纤维呈现均匀分散状态。
②将粗细集料加入搅拌机干拌，然后加入石墨和水泥，一起混合后搅拌时间不少于1min。
③将碳纤维分散水溶液添加到已拌和其它材料的搅拌机中拌和90s至所需工作性。
测试结果：标准养护28d后的电阻率为8.81ω·m、抗压强度32.6mpa、抗折强度4.3mpa；测试温度从-10℃升高到60℃，电阻率下降幅度为4.57ω·m；试件由干燥状态到潮湿状态，电阻率下降幅度为1.35ω·m。导致导电混凝土电阻率显著增大，抗压强度和抗折强度显著减小，温度上升或湿度增大时电阻率下降幅度显著上升。