Электропроводящий бетон
ELECTROCONDUCTIVE CONCRETE

Изобретение относится к строительству и электроэнергетике и, в частности, к области создания композиционных материалов на основе природного и техногенного сырья с получением электропроводящего бетона, обладающего электропроводностью и удельным сопротивлением, достаточным для того, чтобы использовать материал в качестве электропроводящего конструкционного и нагревательного конструкционного материала, а также изготовления элементов заземляющих устройств и антистатических полов.
Известен резистивный композиционный материал, состоящий из компонентов: быстротвердеющий цемент – в весовом проценте 34-56; крупнодисперсная фракция шамота с размером частиц 0,15-2,5 мм – в весовом проценте 1-35; кварцевый песок, фракция 0,2-2,5 мм – в весовом проценте 1-34; коллоидный графит – в весовом проценте 3-15; мелкодисперсная фракция шамота с размером частиц от 0,05 до 0,09 мм - в весовом проценте 0,1-15; электрокорунд, фракция 0,1-0,5 мм – в весовом проценте от 0,1 до 20; минеральное волокно длиной от 3 до 10 мм – в весовом проценте от 0 до 5 (см. патент РФ № 2231845, МПК H01C7/00, 2004 г.).
К недостаткам данного материала относятся сложная рецептура и высокая цена большинства компонентов.
Известны составы электропроводящего бетона, которые включают 1-20% портландцемента, 18-85 % золы и воду (см. патент US6461424 В1, 2002 г.).
Недостатком такого материала является низкий предел прочности на сжатие – 8,3 МПа.
Наиболее близким, принятым за прототип, является электропроводящий бетон, содержащий цемент, песок, воду и порошкообразный графит, при следующем соотношении, мас.%:
порошкообразный графит
15-35
цемент
20-30
песок
25-45
вода
остальное
(см. патент РФ № 2291130, МПК C04B28/04; C04B111/94, 2007 г.).
Недостатками электропроводящего бетона являются низкие прочностные характеристики, сложность регулирования структурообразования и гомогенизации многокомпонентных систем, наличие ограниченной формы конечной продукции, что сужает спектр применения изделий и систем на их основе.
Предлагаемое изобретение решает задачу увеличения сырьевой базы для производства электропроводящих бетонов с широким диапазоном потребительских свойств.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в оптимальном регулировании структурообразования и гомогенизации многокомпонентной системы как за счет применения в составе бетонной смеси углеродных веществ, так и за счет совместного помола компонентов, а также снижении стоимости конечной продукции за счет использования в составе бетона техногенных отходов, что позволяет снизить энерго- и ресурсоемкость производства.
Поставленная задача решается тем, что электропроводящий бетон, включающий портландцемент, песок, воду и углеродсодержащий компонент, отличается тем, что в нем дополнительно используют золу уноса и гиперпластификатор, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 10-14; песок 14-19; зола уноса 13-18; углеродсодержащий компонент 11,8-15,8; гиперпластификатор 0,2; вода 42.
2
При этом в качестве песка применяется термозитовый песок, а в качестве углеродсодержащего компонента - углеродистый шлам алюминиевого производства. Кроме того, все сухие компоненты подвергают механохимической активации в варио-планетарной мельнице до удельной поверхности 550 м/кг.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак, указывающий, что «дополнительно используют золу уноса» позволяет достичь снижения расхода портландцемента путем замены его активированным наполнителем техногенного происхождения.
Признак, указывающий, что «дополнительно используют гиперпластификатор», позволяет улучшить реологические характеристики бетонной смеси.
Признак, указывающий, что «…в качестве песка применяется термозитовый песок, а в качестве углеродсодержащего компонента - углеродистый шлам алюминиевого производства…», позволяет снизить себестоимость производства бетона за счет применения дешевых отходов производства.
Признак, указывающий, что «…все сухие компоненты подвергают механической активации…», позволяет усилить реакционную способность активированного вещества без изменений его состава или строения.
Признаки, указывающие на соотношение масс, направлены на оптимизацию состава, направленную на достижение технического результата.
Электропроводящий бетон готовят следующим образом.
2
Из углеродистого шлама в ходе тепловой обработки удаляют избыточную влагу до 0,5%. Добавляют остальные сухие компоненты (табл.1) и совместно измельчают в варио-планетарной мельнице до удельной поверхности 550 м/кг, что способствует увеличению его реакционной способности и эффективности применения за счет механохимической активации. Полученную сухую смесь затворяют водой при водовяжущем отношении 0,42 (табл.2).
Таблица 1
Компоненты электропроводящего бетона
Наименование компонентов
Назначение в составе бетонной смеси
Массовая доля, %
Нормативный документ
Портландцемент ЦЕМ I 42,5Н
вяжущее
10-14
ГОСТ 31108-2003
Зола уноса ТЭЦ, буроугольная, основные (О) -, содержащие оксид кальция более 10% по массе
регулирование структурообразования
13-18
ГОСТ 25818-91
Термозитовый песок
заполнитель
14-19
ГОСТ 8736-2014
Углеродистый шлам алюминиевого производства
электропроводящий компонент
11,8-15,8
ТУ 1914-99-011-97
Гиперпластификатор поликарбоксилатный сухой
пластифицирующий химический модификатор
0,2
EN 934-2-2009
Вода
затворение вяжущего
42
ГОСТ 23732-2011
Таблица 2
Составы и свойства электропроводящих бетонов
Таким образом, предлагаемый состав электропроводящего бетона имеет следующие преимущества по сравнению с известными:
- повышены прочностные характеристики более чем в 2 раза при одновременном увеличении электропроводности до 2 раз по сравнению с прототипом;
- экономический эффект достигается за счет снижения расхода портландцемента путем замены его активированным наполнителем техногенного происхождения и применения в рецептуре термозитового песка и углеродистого шлама алюминиевого производства.
Особенности резистивных материалов обуславливают использование их модификаций для создания нагревательных элементов и конструкций объемного и пленочного типов, применяющихся в электрических системах для теплофикации в сфере общественного и промышленного строительства, жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве, энергетике и т.д. Применение углеродсодержащих компонентов позволит обеспечить стабильность электрических свойств.