JPH0772096B2 - 導電性コンクリート - Google Patents

導電性コンクリート

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JPH0772096B2
JPH0772096B2 JP3228225A JP22822591A JPH0772096B2 JP H0772096 B2 JPH0772096 B2 JP H0772096B2 JP 3228225 A JP3228225 A JP 3228225A JP 22822591 A JP22822591 A JP 22822591A JP H0772096 B2 JPH0772096 B2 JP H0772096B2
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carbon
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weight
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エマーソン ウイリイ ロバート
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アケソン インダストリーズ,インコーポレーテツド
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】発明の分野 本発明は支持体の上又は内部に導電性のコーティング
又は層を提供するのに有用な改良された組成物に関す
る。該組成物には単体炭素(elementalcar
bon,元素炭素)が含有される。該組成物は石炭ベー
スの焼成された独特高導電率低抵抗率)コークスを
添加することによって改良される。
【0002】本発明は、更に具体的には、鉄ベース低炭
素鋼の多くの構造物又は基礎材料(element,
レメント)で強化されるコンクリート他の建材料
は構成部分の保護に有用な組成物に関する。組成物
はコンクリートは建材料の外面に適用される。本発
明は、カソード防食(cathodic protec
tion,電気防食,陰極保護)という周知の原理に基
づく。
【0003】発明の背景 多くの鉄ベースの低炭素鋼およびその他の金属が湿気お
よび空気にさらされる場合それらはさびを生じ腐食しま
たは劣化することは周知のことである。これらの低炭素
鋼がコンクリートまたはその他の建物材料を強化するた
めに使われる場合、それらはしばしば過酷な気象および
道路の塩または海からの塩水にさらされるようになりこ
れはこの腐食を著しく促進し従って強化したエレメント
または道路の寿命を著しく縮める。フロリダ州の運輸省
は橋床および関連する支持構造物に対する損傷のみで毎
年米国だけで160から500百万ドルまでの修復費用
を強いると見積もっている。
【0004】このように道路が劣化する背景となるプロ
セスは、強化用基礎鋼材の劣化び体積膨脹である。
れはまた、低炭素鋼内の鉄(Fe)の鉄酸化物(錆)
の転化によって引き起こされる
【0005】潜在的な腐食は電解電池の形成によって引
き起こされ、そこでは湿分が存在する場合は鋼強化材の
異なる部分は電解電池の陽極およひ陰極の双方になるこ
とができる。異なる部位におけるイオン濃度の差異は個
々の部位が陰極であるか陽極であるかを決定する。陽極
反応生成物(即ち鉄酸化物)は当初の鋼よりも大きい体
積を有するので、コンクリート内に大きな内部圧力を与
え、それが亀裂しそして小片に割れる原因をつくる。
【0006】陰極保護はその過程を妨げまたは遅れさせ
るのに有効だと認められる一方法である。それは別個の
追加電極(陽極)を導入しそして総ての鋼強化材が陰極
性になるように強制電流を適用し、このようにして鉄酸
化物の形成を防ぐことを含む。
【0007】多くの陰極保護系が知られている。例え
ば、1975年2月25日にP.J.ゲイ(Gay)に
発行された米国特許第3,868,313号は支持体上
に電気絶縁塗料を適用し続いて絶縁被膜の上に導電性塗
料を適用することによる陰極保護系を開示する。直流電
圧を金属支持体と導電被膜間に次いで適用する。
【0008】1964年9月19日発行の米国特許第
3,151,050号は貯蔵中の車および構成部分に対
する陰極保護方法を開示する。その方法は保護すべき金
属に対する導電性ペイントの適用から成る。このペイン
トは炭素、二酸化マンガン、塩化アンモニウムおよび有
機充填剤およびメチルエチルケトンのような溶剤との懸
濁物である。次いで金属銅含有樹脂の第2塗料を、続い
てペイントまたはエナメルの仕上塗料を適用する。最後
に直流電圧を導電性ペイントと金属支持体間に適用す
る。
【0009】種々の炭素ベース材料を含有するその他の
ポリマー組成物もまた知られている。1977年7月1
2日J.A.サウンダース(Saunders)に発行
された米国特許第4,035,265号は黒鉛およびコ
ロイド炭素を用いる導電姓ペイント組成物を開示する。
黒鉛は湿式粉砕に当てそれによって黒鉛を薄い小板に小
さくする。使用するコロイド炭素は20から50ミリミ
クロンまでの寸法を有する粒子で構成する。最終組成物
(それが適用される物品を含めて)は塗膜に電流を通す
場合に熱源として使われる。
【0010】カーボン含有塗料におけるその他の成果は
次のものの中に見出される: (1) 米国特許第3,505,263号、これはポリ
マーラテックス結合剤中の微細な焼成石油コークスを開
示する; (2) 米国特許第3,404,019号、これはポリ
マー組成物中の充填剤または顔料として流動石油コーク
スの使用を開示する; (3) 米国特許第2,730,597号、これは場に
よっては種々の材料を樹脂基材中に用いる抵抗エレメン
トを開示する; (4) 米国特許第4,476,265号、これは「黒
色炭素質顔料」を含有するポリ(硫化アリーレン)組成
物を開示する; (5) 米国特許第4,444,837号、これは充填
剤として炭素微粉を含有する塗料または封止型のプラス
チゾルを開示する; (6) 米国特許第3,391,103号、これは「酸
化した炭素粒子」を使用するフェノール樹脂組成物を開
示する; (7) 米国特許第3,615,754号、これは2か
ら10%までの破砕コークスを用いるインキを開示す
る; (8) 米国特許第3,444,183号、これは耐熱
ポリマーと炭素粒子の分散体からつくったフィルム形成
組成物を開示する。
【0011】発明の内容 本発明は支持体の上又は内部に導電性のコーティング
又は層を提供するのに有用な改良組成物に関する。
成物には単体炭素含有されるこの改良は石炭ベー
の粉砕され焼成された独特なコークス使用すること
からなる。このコークスは、導電性添加剤又は顔料とし
ての性能の点で黒鉛に類似するが、黒鉛を使用するとき
に生じる不都合な点はない。
【0012】本発明の組成物中および方法に使われる独
特のコークスはかなりの水準の黒鉛的構造を有する。こ
の黒鉛化水準はX線粉末回折の使用によって最も容易に
認めることができる。さらに特に、Mo Kα放射(
(λ=0.71Å)を用いてこの材料に対するEc
の値、即ち逆ピーク幅(002ピークの)を測定する場
合、その値は約27〜約80まで、そして好ましくは約
28から約75までである。甚だ好ましい具体化におい
ては、本発明の組成物および方法中で使われるコークス
はSiO、Fe、Al、CaO、K
およびNaOを含有する。それらはコークスの重量の
少なくとも約90%、そして好ましくは約94.5%の
炭素含量、およびコークスの約0.1約1.5重量
までの灰分含量を有する。灰分中のSiO:Fe
の重量対重量比は約3:1から約7:1までの範囲で
あり、そして灰分中のFe:Alの重量;
重量比は約1:1から約6:1までである。
【0013】
【0014】
【0015】上記の背景の項から多くの元素炭素および
炭素ベース材料が導電性添加材または顔料として使われ
てきたが、良導電性が必要な場合には、黒鉛がえり抜き
の添加材または顔料であったことが認められるであろ
う。
【0016】黒鉛はその同素体形態及び結晶構造のた
めに、溶媒は溶媒/樹脂マトリックスに配合して
導電率と低抵抗を有する最終組成物を提供することが
できる。しかし、黒鉛には、コーティングの中で使用す
るのを困難にする幾つかの不都合な点がある。これらの
不都合な点の2つは、導電性物質として優れた価値をも
たらす結晶構造にこそ関係するように思われる
【0017】黒鉛は平面の縮合した環系中に六角形状に
配置される炭素原子の層から成る元素炭素の同素体形態
である。層は相互に平行に2つの可能な形態、六方晶形
または斜方六面体に積み重なる。この構造は、層内の共
有結合(SP異種混合)および層一層配列を結合して
保持するファンデルワールスカと共に黒鉛を導電性材料
としてそして潤滑剤として極端に有効ならしめる。
【0018】しかし、ポリマー樹脂系中に配合されこれ
が表面に適用されそして乾燥または硬化されるときは、
系内に配合される黒鉛は、もしも2表面が摩擦性接触に
持ち来らせられると容易に第二表面に「移行」しまたは
こすり取られるであろう。
【0019】例えば、もしも黒鉛をアクリルラテックス
被膜中に導電率を備える水準で入れる場合は、生じる被
膜は何れの他の表面とも接触しないように保護されなけ
ればならない。あなたの指で塗布した表面を単に横にこ
するような摩擦的接触は、目立つ量で黒鉛があなたの指
に移行することになるに違いない、即ち、黒鉛はあなた
の指に「こすり落される」であろう。
【0020】この移行性質の結果、黒鉛含有組成物で恒
久的被覆はできない、即ちそれは装飾的または保護的被
覆を受容しないであろう。上で検討した理由のために、
第二被膜は黒鉛含有材料に接着しないであろう。
【0021】ポリマー組成物中の添加剤としての黒鉛の
使用に関連するいま1つの欠点は黒鉛がある種の硬化触
媒、例えば、過酸化物型を妨害することである。第四の
(そしてしばしば禁止的な)黒鉛に関する欠点は黒鉛
が、他の炭素ベースの導電性添加材と比べた場合、極め
て高価なことである。
【0022】これらの欠点、主として「移行」性質の結
果として、この技術ではカーボンブラック、石油ベース
コークス、およびこれに類するもののような他の型の元
素炭素にしばしば頼った。十分に導電性であるカーボン
ブラックは極端に高価であることは認められるであろ
う;普通の石油ベースコークスは十分に導電性ではな
い。
【0023】コークスは有機物質の熱分解の結果生じる
高度に炭素質の生成物であると一般に考えられ少なくと
もその一部分は炭化過程中に液体または液体−結晶状態
を通過しておりそしてこれは非−黒鉛性炭素から成る。
カーボン(Carbon)、20:5、445−449
頁(1982)を参照のこと、ここに参照して記載す
る。ある種のコークスは導電性添加材および顔料として
作用することが可能であり;あるコークスは導電性を与
えない。
【0024】最も高い導電性の黒鉛より廉価であるのに
加えて、導電性コークスは移行を示さない付加的利点を
有する。しかし、通例のコークスは黒鉛ほどには効率的
に伝導しないので、導電性であるコークスは極端に高い
顔料;結合剤比で添加しなければならない。黒鉛と比べ
た場合その減じられた原価のために、これらの高水準に
おいてさえコークスは経済的に使うことができる。
【0025】しかし、使われる水準に関係なく、通例の
導電性コークスは黒鉛が提供できる導電率の水準を簡単
に達成することはできなかった。従って、黒鉛がその移
行、上塗り性およびその他の欠点にもかかわらず黒鉛を
使わなくてはならない多くの用途がある。
【0026】ある種の独特なコークス材料は黒鉛のもの
に極めて近い導電率/抵抗率を示すことができるが、普
通に黒鉛に関連する硬化性、粘度および原価の欠点がな
いことが驚くことに今日発見された。
【0027】この独特のコークス材料は低減された原価
で広い範囲の樹脂および樹脂溶剤系中に改良された導電
率を提供する。その結果生じる組成物は広く種々の利用
性を与える。さらに、この独特のコークスは一方で著し
い導電率を維持しながら、樹脂系中に他の非炭素質顔料
を受容できるという予想されない付加的利点を有する。
従って、最終組成物は黒色以外に着色することができ
る。
【0028】本願に記載される水準および比率で使われ
る場合、本発明の最終組成物はより高価な黒鉛を使う系
とほとんど等しい導電率/減少した抵抗を有するが、黒
鉛に関連する多くの欠点はない。
【0029】上に言及したように、術語「コークス」
は、この技術で一般に使われるように、有機材料の熱分
解による多くの高炭素質生成物を広く称し少なくともそ
の一部分は炭化過程中に液体または液体−結晶状態を通
過しておりそしてこれは非黒鉛性炭素から成る。しか
し、現在の発明の組成物および方法に適用される術語の
「コークス」は小さなえり抜きのコークスの下位分類を
称する。構造的観点からすれば、ここで使用する「コー
クス」の術語は、黒鉛化の実際開始前の黒鉛化しうる炭
素の状態、即ち、熱的活性化によって熱力学的に不安定
な非−黒鉛性炭素が黒鉛への固体状態転移の前と特徴づ
ける。
【0030】本発明の実施において有用なコークスは高
導電率/低抵抗を有するコークスでありそしてこの技術
で「コークス」と一般に称する材料のえり抜きの部分だ
けを含む。それらは石炭ベースの焼成された粉砕された
材料である。
【0031】本発明の実施に有用なコークスは黒鉛の等
級水準の所有によって主として区分されこれはポリマー
母材中に入れたときに高導電率/低抵抗を与えるほど充
分高級であるが、こすり落ちおよび/または上塗りを受
容できない傾向を生じるものよりは低い。これらのコー
クスは或る種の組成物および方法中で黒鉛の代りに使う
ことができ;それらはまた黒鉛と組み合わせて使うこと
もできる。それらはそのような環境(黒鉛が使われるべ
き)において特に有用である、なぜなればそれらは黒鉛
を著しく減じた水準で使うことを可能にし一方上塗り性
および高められた導電率が許容されるからである。
【0032】本発明のコークスを特徴づける最も有効な
方法はX線粉末回折による。材料は熱分解黒鉛単色光源
を取り付けた慣用の粉末回折計を使って試験すべきであ
る。約55KVおよび160mAで操作する12KW回
転陽極発電機のような電源を使うことができる;平均X
線波長(λ)約0.71Åを与えるモリブデン陽極(K
α輻射)も使用する。試料はリンデマン(Lindem
ann)の約0.8mm直径を有するガラス管中に置か
れる。c−軸炭素−炭素d間隔およびc−軸に沿ったオ
ーダー(ordering)の範囲はEc値を生じる炭
素(002)ピークの幅から決定する。一般にEc値が
大きい程、オーダーは良い、即ち黒鉛は200よりも大
きい範囲のEc値を有する。本発明のコークスは約27
から約80まで、より好ましくは約28から約75ま
で、そしてさらに好ましくは約28から約65までのE
c値を有する。
【0033】有用なこの級のコークスは重量で約80%
よりも多い元素炭素を含有するであろう。本発明の方法
で使う好ましいコークスは重量で約90%よりも多く、
より好ましくは約94.5%、そして好ましくは約95
%より多い炭素含量を有する。非常に好ましい実施態様
においては、本発明のコークスは重量で約95.0から
約95.75%まで、そしてなおより好ましくは約9
5.30から約95.40%までの炭素含量を有する。
【0034】本発明に使用する好ましいコークスはコー
クス重量の約0.1〜約1.5%までの灰分含量を有す
る。さらにより好ましくは灰分含量は約0.80から約
1.25重量%までの範囲、そして一層好ましくは約
1.0から約1.15重量%までである。
【0035】甚だ好ましい具体化においては、灰分中の
SiO:Feの重量;重量比は約3:1から約
7:1までの範囲、そしてなおより好ましくは約4:1
から約6:1までであり;極めて好ましい具体化におい
ては比率は約5:1である。これらの具体化において
は、灰分中のFe:Alの重量:重量比は
約6:1から約1:1までの範囲、そしてなお好ましく
は約2:1である。
【0036】本発明に使用する好ましいコークスは灰分
中に灰分の重量に対し約2.5%よりも少なく、より好
ましくは約1.0%よりも少なく、そしてさらに一層好
ましくは約0.5%よりも少ない水準のCaOを含有す
る。甚だ好ましい具体化においては灰分の約0.5重量
%、またはコークスの約0.00005重量%の水準の
CaOを含有する。
【0037】本発明に使用する好ましいコークスは灰分
の重量に対しKOを約0.75%よりも少なく、そし
てより好ましくは約0.5%、そして一層好ましくは約
0.25%の水準で含む。著しく好ましい具体化におい
ては、コークスはKOを灰分重量の約0.20%より
も少なく、またはコークス重量の約0.00002%の
水準で含む。
【0038】
【0039】上記のコークスと組み合わせるのに有用な
その他の好適な材料にはカーボンブラック、石油コーク
ス、焼成石油コークス、流体石油コークス、冶金用コー
クスから成る群から選ばれる元素炭素充填材および顔料
を含み;有用な非炭素顔料および添加剤には、非限定的
に、亜鉛、アルミニウム、銅、ニッケル、フェロホスホ
ル、およびこれに類するもののような金属および金属性
導電性および非導電性材料を含む。
【0040】
【0041】
【0042】
【0043】
【0044】
【0045】
【0046】コークス(特別に本願で定義される)は本
発明の好ましい陰極保護組成物中に湿潤、未硬化組成物
の重量の約0.5%から約30%までの水準で使われ
る。より好ましくはコークスは湿潤組成物の約2から約
25%までの水準で、そしてさらにより好ましくは、約
5から約15%までの水準で使われる。非常に好ましい
具体化においては、本発明の陰極保護組成物は湿潤組成
物の重量の約5%から約10%までの水準でコークスを
使う。
【0047】上に記したように、コークスは単独で、ま
たは他の炭素質材料と共に使うことができる。カーボン
ブラック、石油コークス、焼成石油コークス、流体石油
コークス、冶金用コークスおよびこれに類するもののよ
うな他の元素炭素を使う場合は、好ましい組成物中の全
元素炭素は最終湿潤組成物重量の約5%から約75%ま
でを構成する。この全元素炭素の約5%から約75%ま
で(全元素炭素の)は本願に記載する独特の粉砕した石
炭ベースの焼成コークスである。より好ましくは、全元
素炭素は約25%から約60%までの水準で存在し、そ
れの約10%から約25%までは石炭ベースの焼成コー
クスである。
【0048】本発明の非常に好ましい陰極保護組成物は
実質的に黒鉛を含まない、即ち、それらは湿潤組成物の
重量の約10%よりも少なく、より好ましくは約5%よ
りも少なく、そしてさらにより好ましくは約1%よりも
少ない黒鉛を使用する。
【0049】
【0050】
【0051】何れの慣用の相溶性界面活性剤も本発明の
陰極保護組成物中に使うことができる。好ましい界面活
性剤にはローム アンド ハース カンパニーによって
販売される縮合したアリールスルホン酸の中性ナトリウ
ム塩であるタモル(TAMOL)SNを含む。
【0052】好ましい組成物は約50から約80%まで
の全固形物、そしてなおより好ましくは約70から約7
5%までの全固形物であり、そして好ましくは約300
0から約4500cpsまでの粘度を有する。そのよう
な組合わせは適用が容易でありそしてコンクリートおよ
びこれに類するものに対して優れた接着力を証する最終
生成物を与える。
【0053】好ましい組成物を、乾燥硬化した後のコ
ーティング厚さが0.25mm(10mil)になるよ
うな割合で非導電性表面に塗ったとき、該組成物の抵抗
は、1インチの距離に対して直流電流を流して点−点間
を測定した場合、約20Ω/平方単位未満となり、更に
好ましい組成物では、約10約15Ω/平方単位の
囲の抵抗を示す。
【0054】本文で使用する「Ω/平方」なる用語は、
あらゆる実用的平方単位当りのオーム意味である。即
ち、均一厚さのコーティングを試験る場合、点A−点
B間の直流電流に対する抵抗(R)は、平方幅(w)
と、点−点間の距離(d)コーティングさ(t)
と、導電性のコーティング又は物質の性質の関数であ
る。この抵抗はdに正比例しびwに比例して
変化する。この事は、 R=(k)(d)(t−1)(w−1として表す ことができる。全ての平方においてw=dで
あるので、上記の式は R=k/t と単純化される繰り返すと、これは平方単位がイン
チであるかフィートであるかにかかわらず、w=dであ
るからである
【0055】本発明の組成物は好ましくは流体またはゼ
ラチン状形態でコンクリートまたはその他の建物材料に
適用されそして現場で硬化または乾燥させられる。組成
物は刷毛塗り、吹き付け、浸漬、ローラー塗布、こて塗
りおよびこれに類する何れかの通常の方法で適用するこ
とができる。
【0056】組成物は塗布厚さが、乾燥/硬化後約0.
5から約50ミルまでの範囲;好ましくは約1から約3
0ミルまで;そしてより好ましくは約2から約20ミル
までであるような割合で適用される。
【0057】非常に好ましい具体化において、硬化した
保護塗膜および鉄ベース低炭素鋼強化材は、炭素含有塗
膜が陰極である強化材金属に対して陽極であるように直
流電源と接触させる。
【0058】その結果生じる被覆された構造物、これは
道路、橋桁、駐車ガレージ、ドックまたは埠頭、または
何らかのその他の構造物が可能であり、これは塩水、海
水または道路の塩分にさらされそしてこれは鉄ベースの
低炭素金属エレメントによって強化されるが、強化エレ
メントのさびまたは腐食の結果生じる劣化に耐えるであ
ろう。
【0059】本発明の組成物は、コンクリートから作っ
た構造エレメントに静電放電保護および/または導電率
を与えるために、コンクリート、またはその他の建物材
料に加えることができる。この事は加熱することができ
そして保護および装飾の目的に対して耐久性のある被覆
を受けることができる構造エレメントを与える。
【0060】そのような添加はまたコンクリートの床、
壁、およびこれに類するものを有する区域に対して静電
放電保護を与える。そのような保護は静電放電が極めて
危険また有害の傾向がある作業区域においては極めて重
要である。そのような環境には、例えば、外科区域また
は爆発性ガスが使われるその他の区域が含まれるに違い
ない。その他の例にはコンピューターチップが製造され
または磁気記憶装置(magnetic storag
e device)上で情報の処理が行なわれる区域を
含むであろう。
【0061】そのような導電性コンクリートは元素炭
素、水、および増粘剤、抗−微生物剤、抗菌剤、殺菌
剤、アルコール、界面活性剤、およびこれに類するもの
のようなここに記載されるその他の通例の添加剤を含む
水性プレブレンド(Pre−blend)をまず配合し
てつくられる。次いでプレブレンドを通例のコンクリー
トプレミックスより多い元素炭素および水と共に加えら
れる。
【0062】好ましくは約50から約95重量%までの
元素炭素はここに記載した粉砕し焼成した石炭ベースコ
ークスであるべきことは認められるであろう。
【0063】本発明の利点および優位性をさらに説明す
るために以下の実施例が提供される。実施例は説明の目
的のために与えられるものであり従ってここに開示しそ
して特許請求の範囲中に示される本発明の範囲を限定す
る意図でないことは云うまでもない。
【0064】特記しない限り、成分は全て慣用方法で
添加し混した
【0065】参考例1 カソード防食用コーティング
【表1】 上記の品目をペブルミル中に入れそして24時間運転し
て約8ヘグマン(Hegmann)とした。次いで次の
ものを加えた:
【表2】
【表3】
【0066】
【0067】
【0068】実施例1 コンクリート添加剤 ベース1号
【表4】 上記の成分をペブルミル中で約24時間摩砕した。 %固形物…………35.5 ヘグマン………… 8+ pH …………… 8+ 粘度 ……………600〜700cps (ブルック フィールド)
【0069】ベース2号
【表5】 上記の成分をペブルミル中で40時間8ヘグマンまで摩
砕した。 %固形物…………30−32% 重量/ガロン……9.83ポンド pH ……………8+ 粘度 ……………100−200cps(ブルック フ
ィールド) ヘグマン…………8
【0070】本発明の範囲内の好適な組成物は次のもの
であろう: 成 分 範 囲 10− 50部 ベース1またはベース2 20− 10部 元素炭素 20− 10部 コークス 50 30部 予備配合したコンクリートミックスおよび 100 100 必要な水 コークスを使う上記の分散体の何れかを通常の粗いコ
ークスまたはカーボンと併用する場合、それらは相乗作
用的に反応して全く粗目の炭素によって普通に得られる
ものよりずっと低い抵抗をつくり出すであろう。これは
より濃密な、強いコンクリート構造物を可能にするであ
ろう。
【0071】しかし、もしも残余の炭素質材料の総てが
その一部または全部をコークスで置き換える場合、実
質的に類似の結果が得られる。はこの材料は約29の
Ec値を有することを示す。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a)コンクリート混合物と、(b)水
    と、(c)単体炭素とからなる導電性コンクリートにお
    いて、全単体炭素の5095重量%が石炭ベースの
    砕された成コークスであり、かつ、該コークス27
    80Ec値を示す、上記導電性コンクリート。
  2. 【請求項2】 平均波長0.71Åを有するMo Kα
    放射を使用するX線粉末回折に当てられたとき002
    ピークに対して27〜80のEc値が測定される請求
    項1に記載の導電性コンクリート
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