本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及一种接地导电混凝土及其制备方法。
背景技术：
输电线路杆塔沿线建造，绵延千里，大部分位于野外和空旷地域，天气条件和地理环境变化多样，易受雷电侵袭。雷电直击线路杆塔会引起直击雷过电压，这些雷电过电压使输电线路设备及其绝缘设备受到破坏而使电网发生事故。根据电网故障分类统计数据，架空输电线路由雷击输电线路造成的开关跳闸次数占总跳闸次数的50％～70％，同时容易造成电气设备绝缘损坏。为了保证输电线路安全、可靠、稳定的运行，有效的输电线路防雷保护和接地技术至关重要。
目前，我国输电线路的接地网设计大多利用扁钢、圆钢等金属材料作为接地电极，以杆塔为中心向四周放射埋设。但是这些金属接地材料的耐腐蚀性差、易年久失效，使得接地电阻增大，导致接地网导电性能大大降低，给线路安全运行埋下隐患，同时大量增加后期维护和改造的费用。因此，满足导电性能和力学性能要求并且电阻稳定性好、耐腐蚀性强导电混凝土成为当前输电线路接地工程的研究重点。
导电混凝土是由胶凝材料、导电相材料、集料和水等按照一定配合比制成的多相复合材料，是通过在普通混凝土中掺加适量的导电相材料而形成的一种功能性水泥基复合材料。导电混凝土既保持了结构材料的性能，又具有导电材料的特性及优良的耐腐蚀性，在输电线路杆塔接地工程领域具有广泛的应用前景。
目前导电混凝土中的导电相材料主要包括有碳系和金属系材料两方面。碳系导电相材料包括石墨、碳纤维、炭黑等碳骨质材料、石墨烯等，金属系导电相研究主要集中在钢纤维以及以风淬钢渣为代表的金属氧化物等材料。在所有的导电相材料中，石墨水泥基复合材料成本最低，应用最为广泛，但相对于其他导电相材料，石墨对水泥基复合材料导电性能改善效果并不优秀，同时石墨的添加还会在一定程度上降低水泥基复合材料的机械强度；例如在专利
cn1483699a中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；该专利采用石墨为导电相，导电性能并不优秀，并且机械强度低。炭黑对于水泥基复合材料导电性能的提升好于石墨，但炭黑强度低，吸水性大，力学性能不够好；风淬钢渣的虽然能加强水泥基复合材料的机械强度，但由于风淬钢渣中主要的导电成分feo含量过低(约为18％～30％)，导电性能太差；纤维类的钢纤维在水泥基复合材料中会出现钝化问题，使水泥基复合材料体积电阻率升高。碳纤维对于水泥基导电复合材料的导电性改善效果最好，对于水泥基导电复合材料的机械强度也有一定提升，但成本比较高，同时碳纤维单丝细小，比表面积大，在混凝土中容易结团成束不易分散，使碳纤维对混凝土的改性作用不能充分发挥出来，并且提高了导电混凝土的成本。为了进一步提高导电性，在某些研究里，会采用混合的导电相材料，例如在专利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。该专利采用碳纤维、钢纤维和石墨复配为导电相，配方较复杂，施工质量较难控制，并且碳纤维和钢纤维掺量高，容易结团成束不易分散，制造成本较高。又如在专利cn110171949a公开了一种一种杆塔接地用导电混凝土，由：水泥100～150份、集料100～150份、水50～120份、石墨40～65份、不锈钢纤维2～8份、聚苯胺/膨润土复合材料1～5份、助剂0.5～3份组成。该专利采用石墨和不锈钢纤维复配为主导电掺杂相，加入聚苯胺/膨润土复合材料和助剂，生产配方和工艺复杂，施工质量较难控制，制造成本高。很多时候，为了提高导电性，许多研究中都是尽可能的提高导电性，总是通过增加导电性的含量，这样不但增加了成本，往往还会降低混凝土的强度。
目前，关于制备导电混凝土的方法主要有干拌或湿拌，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。
技术实现要素：
本发明的目的是提供导电性能和力学性能优异，耐腐蚀性强，配方简单，操作简便，制造成本较低接地导电混凝土及其制备方法。
本发明这种接地导电混凝土，按照质量份数比由以下原料组成：水泥80～150份、细集料110～200份、粗集料260～350份、水30～70份、碳纤维0.5～4份、减水剂1～4份。
优选的，接地导电混凝土，按照质量份数比由以下原料组成：水泥100～135份、细集料130～180份、粗集料280～330份、水40～60份、碳纤维1～3份、减水剂2～3份。
所述细集料为砂子或细石，粒径为0.15mm～4.75mm；所述粗集料为碎石或卵石，粒径为4.75mm～16mm；所述水泥采用p.o42.5普通硅酸盐水泥。
所述碳纤维为聚丙烯腈基短切碳纤维丝，单丝直径7～10μm，长度8～10mm。
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。
所述减水剂为聚羧酸高效减水剂/或水溶性树脂系高效减水剂，减水率达30％以上。
本发明导电混凝土采用半干拌法和振动搅拌技术制备而成。
本发明这种导电混凝土的制备方法，具体包括以下步骤：
s1、按照配比称取各种所需原料，首先向水中加入减水剂，制备得到含有减水剂的水溶液；
s2、将粗集料、细集料和水泥依次加入振动搅拌机中干拌振动搅拌；再加入含有减水剂的水溶液湿拌振动搅拌；
s3、最后向振动搅拌机中加入碳纤维，振动搅拌，得到混合料
s4、将步骤s3得到的混合料倒入模具内，采用插入式振捣器进行振捣，至材料表面平整成型为止；
s5、将成型后的模具放入养护箱养护后脱模，然后进行标准养护，得到导电混凝土。
所述制备方法中所有振动搅拌均采用采用双卧轴振动搅拌机，振动强度为3～6，叶片安装角度30～60°，搅拌线速度为1.0～2.0m/s，振幅0.5～3mm，振动频率100～250s-1
所述s2步骤中，干拌振动搅拌时间为5～20s，湿拌振动搅拌时间为40～90s。
所述s3步骤中，振动搅拌时间为30～100s。
所述s5步骤中，养护24h后脱模，标准养护条件为：在20±2℃、相对湿度≥95％的环境中养护28天。
本发明的原理：根据碳纤维导电混凝土的原材料组成及物理性质可知，其结构-流变特性的趋势与普通混凝土的变化趋势是一致的，只是由于碳纤维导电混凝土中碳纤维的阻裂和增强作用，使其剪切强度和粘性均比普通混凝土高，要将其拌和均匀比普通混凝土更加困难。混凝土振动搅拌技术是一种通过释放激振力来强化搅拌过程的有效手段。相对于传统搅拌技术，振动搅拌技术在搅拌机理方面实现了重大突破，在强制式搅拌的基础上，加入振动搅拌，使水泥颗粒具有一定振动频率下的振幅后处于颤动状态，破坏水泥和水的黏聚结构，能使物料间的内摩擦力大大降低，使水泥粒子充分水化，同时使各组分运动速度加快，增加有效碰撞次数，加速集料表面水化产物向液相的扩散速度，同时净化集料表面，增强水泥石与集料之间的粘结强度，在保证物料宏观均匀性的同时，将振动能量传递至物料之间，增强其微观的均匀性，从而极大提升混凝土的强度、密实度和耐久性。本发明采用振动搅拌技术用于制备导电混凝土，首先将基础料进行振动搅拌，然后在加入碳纤维振动搅拌，可以通过振动能量传递将碳纤维分散，避免碳纤维结团，使碳纤维在混凝土中均匀分布，从而极大提升导电混凝土的机械强度、导电性能和耐久性，降低碳纤维掺量、水泥用量和制造成本。
本发明的有益效果：
1)本发明采用碳纤维为混凝土的导电相材料，碳纤维为具有导电性能优良、强度高、模量大以及耐高温和低温、耐腐蚀性好、导热性好的优点，不易被腐蚀和钝化，得到的导电混凝土的导电性、机械强度、材料稳定性和抗冻性良好。
2)本发明采用振动搅拌技术，使水泥颗粒具有一定振动频率下的振幅后处于颤动状态，破坏水泥和水的黏聚结构，能使物料间的内摩擦力大大降低，使水泥粒子充分水化，同时使各组分运动速度加快，增加有效碰撞次数，加速集料表面水化产物向液相的扩散速度，同时净化集料表面，增强水泥石与集料之间的粘结强度，并将振动能量传递至碳纤维之间，避免碳纤维结团，使碳纤维在混凝土中均匀分布，从而极大提升导电混凝土的机械强度、导电性能和耐久性，降低碳纤维掺量、水泥用量和制造成本。
3)本发明通过所述的组分协同，配合本发明创新的拌和方法(半干拌法以及振动搅拌技术)，可在无需添加分散剂的前提下，即可使物料充分拌和，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，使物料充分拌和分散；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导电性能和电阻稳定性。
4)本发明制备的导电混凝土配方简单，操作简便，导电性能(电阻率≤2.5ω·m)和力学性能(抗压强度在45～50mpa、抗折强度在5.5～7.5mpa)优异，耐腐蚀性强，作为接地材料适用于任何电阻率地区，且在土壤电阻率较低的地区可以取消人工接地，实现接地工程与基础工程同步进行，简化施工流程，减少开挖造成的环境破坏。
5)本发明的混凝土中添加碳纤维相对于大部分的研究中的都要少，少量的添加可以很好的保证混凝土的强度，为了增加混凝土的导电性，本发明通过振动搅拌技术使碳纤维充分分散在混凝土中，也使得混凝土中各组分更均匀，制备出来的初级混合料的流动性和粘结性进一步增加。
6)由于碳纤维导电混凝土中碳纤维的阻裂和增强作用，使其剪切强度和粘性均比普通混凝土高，要将其拌和均匀比普通混凝土更加困难。本发明通过选取合理的振动参数来振动搅拌碳纤维导电混凝土，应能有效地改善碳纤维导电混凝土的微观匀质性，特别是碳纤维的分散性，从而提高碳纤维导电混凝土的强度、导电性能和耐腐蚀性，降低工程造价，提高线路接地装置的使用寿命，减少接地装置后期维护和改造费用，具有很好的技术经济效益和社会效益。
7)本发明混凝土的相对于对比文件中配方比较简单，除了碳纤维外，没有增加其他组份，因而可以很好的保证混凝土的力学性能和耐腐蚀性能，而且在配方更简单的前提条件下，采用本发明的振动搅拌的方法，使得本发明导电混凝土的导电性能与比对比文件中的性能相比可以达到等同甚至更好技术效果。
具体实施方式
本发明的具体实施例中采用的振动搅拌设备为许昌德通振动搅拌公司生产的双卧轴振动搅拌机，振动强度是3-6，叶片安装角度45°，搅拌线速度为1.6m/s，振幅1.5mm，振动频率142.1s-1。
实施例1
本实施例中各原料及其配比为：水泥(普通硅酸盐水泥(42.5))100份；细集料(粒径为0.15～4.75mm的天然河砂)146份；粗集料(粒径为4.75～16mm碎石)260份；水46份，减水剂(ht-hpc型聚羧酸高性能减水剂)2.0份，和碳纤维(纤维长度9mm、单丝直径7-10um，密度1700kg/m3，抗拉强度在4.0gpa，体积电阻率1.5×10-3ω·c)1.2份。
导电混凝土的制备：
1)将减水剂放入到水中，得到减水剂的水溶液；
2)将粗集料、细集料以及水泥放入到振动搅拌机中进行振动搅拌10s；得到基础混合料；
3)将步骤1)中的减水剂加入到振动搅拌机中，开启振动搅拌，进行振动搅拌70s,然后加入碳纤维，继续振动搅拌60s，至混凝土所需的工作性质；然后将其倒入模具中，养护24h后，脱模，然后标准养护28d后，测得其电阻率为2.09ω·m、抗压强度45.1mpa、抗折强度5.8mpa。
对比例1
本实施例中各原料及其配比为：水泥(普通硅酸盐水泥(42.5))100份；细集料(粒径为0.15～4.75mm的天然河砂)146份；粗集料(粒径为4.75～16mm碎石)260份；水46份，减水剂(ht-hpc型聚羧酸高性能减水剂)2.0份，和碳纤维(纤维长度9mm、单丝直径7～10um，密度1700kg/m3，抗拉强度在4.0gpa，体积电阻率1.5×10-3ω·c)1.6份。
导电混凝土的制备：
1)将减水剂放入到水中，得到减水剂的水溶液；
2)将粗集料、细集料以及水泥放入到搅拌机中普通搅拌10s；得到基础混合料；
3)将步骤1)中的减水剂加入到搅拌机中，开启搅拌，进行搅拌70s，然后加入碳纤维，继续普通搅拌60s，至混凝土所需的工作性质；然后将其倒入模具中，养护24h后，脱模，然后标准养护28d后，测得其电阻率为12.48ω·m、抗压强度37.7mpa、抗折强度4.3mpa。
与实施例1相比，同样的配方采用普通搅拌制备的导电混土，其性能明显不达不如实施例1，且达不到导电混凝土的要求。
实施例2
本实施例中各原料及其配比为：水泥(普通硅酸盐水泥(42.5))100份；细集料(粒径为0.15～4.75mm的天然河砂)146份；粗集料(粒径为4.75～16mm碎石)260份；水46份，减水剂(ht-hpc型聚羧酸高性能减水剂)2.0份，和碳纤维(纤维长度9mm、单丝直径7～10um，密度1700kg/m3，抗拉强度在4.0gpa，体积电阻率1.5×10-3ω·c)1.6份。
导电混凝土的制备：
1)将减水剂放入到水中，得到减水剂的水溶液；
2)将粗集料、细集料以及水泥放入到振动搅拌机中进行振动搅拌10s；得到基础混合料；
3)将步骤1)中的减水剂加入到振动搅拌机中，开启振动搅拌，进行振动搅拌70s,然后加入碳纤维，继续振动搅拌60s，至混凝土所需的工作性质；然后将其倒入模具中，养护24h后，脱模，然后标准养护28d后，测得其电阻率为1.26ω·m、抗压强度46.8mpa、抗折强度6.9mpa。
实施例3
本实施例中各原料及其配比为：水泥(普通硅酸盐水泥(42.5))135份；细集料(粒径为0.15～4.75mm的天然河砂)130份；粗集料(粒径为4.75～16mm碎石)280份；水60份，减水剂(ht-hpc型聚羧酸高性能减水剂)3.0份，和碳纤维(纤维长度9mm、单丝直径7～10um，密度1700kg/m3，抗拉强度在4.0gpa，体积电阻率1.5×10-3ω·c)3份。
导电混凝土的制备：
1)将减水剂放入到水中，得到减水剂的水溶液；
2)将粗集料、细集料以及水泥放入到振动搅拌机中进行振动搅拌15s；得到基础混合料；
3)将步骤1)中的减水剂加入到振动搅拌机中，开启振动搅拌，进行振动搅拌40s，然后加入碳纤维，继续振动搅拌30s，至混凝土所需的工作性质；然后将其倒入模具中，养护24h后，脱模，然后标准养护28d后，测得其电阻率为0.24ω·m(碳纤维掺量高，电阻率会进一步降低)、抗压强度47.9mpa、抗折强度7.1mpa。
实施例4
本实施例中各原料及其配比为：水泥(普通硅酸盐水泥(42.5))115份；细集料(粒径为0.15～4.75mm的天然河砂)180份；粗集料(粒径为4.75～16mm碎石)300份；水60份，减水剂(ht-hpc型聚羧酸高性能减水剂)2.0份，和碳纤维(纤维长度9mm、单丝直径7～10um，密度1700kg/m3，抗拉强度在4.0gpa，体积电阻率1.5×10-3ω·c)2份。
导电混凝土的制备：
1)将减水剂放入到水中，得到减水剂的水溶液；
2)将粗集料、细集料以及水泥放入到振动搅拌机中进行振动搅拌20s；得到基础混合料；
3)将步骤1)中的减水剂加入到振动搅拌机中，开启振动搅拌，进行振动搅拌90s，然后加入碳纤维，继续振动搅拌100s，至混凝土所需的工作性质；然后将其倒入模具中，养护24h后，脱模，然后标准养护28d后，测得其电阻率为1.06ω·m(碳纤维掺量高，电阻率会进一步降低)、抗压强度47.3mpa、抗折强度7.0mpa。