钢渣-CFRP粉末-碳纤维复相的高性能导电混凝土及其制备方法

本发明属于导电混凝土，涉及一种钢渣-cfrp粉末-碳纤维复相的高性能导电混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、在严寒地区或寒冷季节，道路、桥梁和机场跑道等表面经常会积聚大量的雪和冰，对交通运输造成严重影响。混凝土作为传统的工程材料不仅需要提高其抗压和抗折强度，还需要满足道路快速融冰化雪等要求。通过在混凝土中掺入导电相材料，可制成导电混凝土。

2、钢渣是冶金工业中产生的废渣，具有氧化钙、铁以及氧化镁等可利用组分，是一种良好的导电材料，将其加入混凝土中，可以改善电阻，增强混凝土的导电性。但是仅添加钢渣的导电混凝土无法提供良好的导电网络，需要在混凝土中添加其他导电相材料。

3、文献1利用钢渣制备导电混凝土，发现当替代率高达20％时，可以略微提高其机械性能，同时还可以增强混凝土的导电性。另外测得钢渣与石墨复合的导电混凝土的抗弯强度为3.5mpa，电阻率为1054ω·cm(sun j,lin s,zhang g,et al.the effect ofgraphite and slag on electrical and mechanical properties of electricallyconductive cementitious composites[j].construction and building materials,2021,281:122606.)。文献2使用1.0％vol的碳纤维将试样电阻率最低降到了3.4ω·m，并且当碳纤维含量从0.5％vol增加到0.75％vol时电阻率急剧下降，电阻率从7.5×104ω·m下降到23ω·m。然而以碳纤维作为导电混凝土单一导电填料成本过高，无法在有限成本下将混凝土的电阻率降到理想水平(chen b,li b,gao y,et al.investigation onelectrically conductive aggregates produced by incorporating carbon fiber andcarbon black[j].construction and building materials,2017,144:106-114.)。文献3将碳纤维增强复合材料(cfrp)处理成平均长度约为6mm的丝状物掺入水泥中，结果显示合适的掺量会增强水泥的抗压和抗折性能，当回收cfrp在水泥中的掺量不高时，水泥电阻率的降低效果并不明显；当回收cfrp在水泥中的掺量达到4％时，水泥基材料电阻率急剧下降。然而回收cfrp的掺杂量仍然较高，且其实际上利用的仍然是回收cfrp中的碳纤维形成一个搭接式的导电通路机制，从而降低混凝土的电阻率，成本较高(吴震华刘尧张芝芳.回收cfrp增强水泥的导电性能研究[j].复合材料科学与工程,2022(9):48-53.)。
技术实现要素：

4、本发明的目的在于提供一种导电性能和力学性能均显著提高并且综合性能优异的钢渣-cfrp粉末-碳纤维复相的高性能导电混凝土及其制备方法。本发明以钢渣为细骨料，不仅可以降低导电混凝土的电阻率，还可以增强导电混凝土的力学性能，同时大大降低了导电混凝土的制备成本，同时引入碳纤维，并掺入废弃cfrp研磨成的粉末，利用碳纤维和cfrp粉末的复合作为混凝土的导电填料，提高混凝土的导电性能和力学性能。

5、实现本发明目的的技术方案如下：

6、钢渣-cfrp粉末-碳纤维复相的高性能导电混凝土，按重量份数计，包括以下成分：

7、普通硅酸盐水泥1份，硅灰0.21份，矿粉0.21份，钢渣1.42份，水0.29份，高效减水剂0.029份，cfrp粉末0.02份，碳纤维0.0045～0.027份，所述的cfrp粉末的粒径为10～100μm。

8、优选地，所述的钢渣的粒径≤0.15mm。

9、优选地，所述的cfrp粉末为cfrp经过研磨后得到的粉末。

10、优选地，所述的cfrp为废弃cfrp。

11、优选地，所述的碳纤维为pan基短切碳纤维，更优选为长度为6mm的pan基短切碳纤维。

12、上述钢渣-cfrp粉末-碳纤维复相的高性能导电混凝土的制备方法，具体步骤如下：

13、(1)将碳纤维在含有纤维分散剂羟乙基纤维素(hec)的水中机械搅拌至完全分散后，用水过滤洗净，按配方加入剩余的水，得到碳纤维悬浮液；

14、(2)将cfrp粉末加入碳纤维悬浮液中，在60±2r/min下低速搅拌，随后加入普通硅酸盐水泥、硅灰、矿粉、高效减水剂和钢渣，先在60±2r/min下低速搅拌，再在80±4r/min下快速搅拌，得到均匀混合的砂浆混合物；

15、(3)将砂浆混合物倒入模具中，振动，成型，制成导电混凝土。

16、进一步地，步骤(2)中，cfrp粉末的低速搅拌时间为60s，加入普通硅酸盐水泥、硅灰、矿粉、高效减水剂和钢渣后的低速搅拌时间为30s，快速搅拌时间为60s。

17、本发明将钢渣和cfrp粉末在机械搅拌作用下混合，由于两种物质尺寸非常小，能在机械搅拌作用下尽可能地分散，填充碳纤维之间的缝隙，并通过隧穿效应连接相互不接触的碳纤维，从而形成良好的导电网络并提高了导电性和力学性能。

18、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

19、(1)资源再利用：

20、钢渣是钢铁制造过程中的产物，容易获得且价格较低；同样，以废弃cfrp为原料，实现了其再利用，降低了这些材料对环境的负面影响，同时cfrp粉末作为导电材料还大大降低了导电混凝土的成本。

21、(2)耐久性：

22、在混凝土原料中加入具有较高的机械性能的钢渣和碳纤维，提高了混凝土的耐磨性、抗压强度和抗拉强度。此外，碳纤维的化学惰性可增强混凝土的耐化学性能。碳纤维对温度的变化响应较小，因此相比传统混凝土，加入碳纤维的混凝土具有更好的热稳定性。由于碳纤维具有良好的强度重量比，形成的混凝土比传统的钢纤维导电混凝土更轻，也有利于减少结构重量。

23、(3)导电性能：

24、在混凝土原料中添加导电的碳纤维和cfrp粉末，有助于构建混凝土内导电网络，比单纯使用导电粉末(如碳黑、金属粉末)的传统导电混凝土具有更高的导电性。加入碳纤维的导电混凝土不仅具有良好的导电性能，还具有较高的力学性能，相比于传统导电混凝土，钢渣-cfrp粉末-碳纤维复相的高性能导电混凝土的应用范围更加广阔。

25、(4)分散方式：

26、本发明钢渣-cfrp粉末-碳纤维复相的高性能导电混凝土的制备过程中，碳纤维首先在hec溶液中分散再将其过滤洗净，这种分散方式与传统导电混凝土的碳纤维直接在水泥基体中搅拌分散相比，能够将碳纤维基本分散完全，不会出现碳纤维团聚的情况，从而可以减少碳纤维的添加，提高导电性能的同时还能够减少成本。

技术实现思路

技术特征：

1.钢渣-cfrp粉末-碳纤维复相的高性能导电混凝土，其特征在于，按重量份数计，包括以下成分：

2. 根据权利要求1所述的高性能导电混凝土，其特征在于，所述的钢渣的粒径≤0.15mm。

3.根据权利要求1所述的高性能导电混凝土，其特征在于，所述的cfrp粉末为cfrp经过研磨后得到的粉末。

4.根据权利要求1所述的高性能导电混凝土，其特征在于，所述的cfrp为废弃cfrp。

5.根据权利要求1所述的高性能导电混凝土，其特征在于，所述的碳纤维为pan基短切碳纤维。

6. 根据权利要求1所述的高性能导电混凝土，其特征在于，所述的碳纤维为长度为6mm的pan基短切碳纤维。

7.根据权利要求1~6任一所述的高性能导电混凝土的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，cfrp粉末的低速搅拌时间为60s，加入普通硅酸盐水泥、硅灰、矿粉、高效减水剂和钢渣后的低速搅拌时间为30s，快速搅拌时间为60s。

技术总结
本发明公开了一种钢渣‑CFRP粉末‑碳纤维复相的高性能导电混凝土及其制备方法。所述的高性能导电混凝土由普通硅酸盐水泥1份、硅灰0.21份、矿粉0.21份、钢渣1.42份、水0.29份、高效减水剂0.029份、CFRP粉末0.02份、碳纤维0.0045~0.027份组成，通过先将碳纤维在含有羟乙基纤维素的水中分散，然后加入CFRP粉末，低速搅拌后加入剩余成分，将砂浆混合物倒入模具中，振动成型，制成导电混凝土。本发明利用CFRP粉末与碳纤维复合作为导电混凝土导电材料，制备的导电混凝土具有良好的导电性和力学性能。

技术研发人员：张亚男,张壮,胡玉冰
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10