PL229764B1 - Sposób wytwarzania dodatku o właściwościach przewodzących do kompozytów cementowych - Google Patents

Sposób wytwarzania dodatku o właściwościach przewodzących do kompozytów cementowych

Info

Publication number
PL229764B1
PL229764B1 PL408318A PL40831814A PL229764B1 PL 229764 B1 PL229764 B1 PL 229764B1 PL 408318 A PL408318 A PL 408318A PL 40831814 A PL40831814 A PL 40831814A PL 229764 B1 PL229764 B1 PL 229764B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
graphite
expanded graphite
suspension
weight
water
Prior art date
Application number
PL408318A
Other languages
English (en)
Other versions
PL408318A1 (pl
Inventor
Waldemar Pichór
Maksymilian Frąc
Original Assignee
Akademia Gorniczo Hutnicza Im Stanislawa Staszica W Krakowie
Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanislawa Staszica W Krakowie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Akademia Gorniczo Hutnicza Im Stanislawa Staszica W Krakowie, Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanislawa Staszica W Krakowie filed Critical Akademia Gorniczo Hutnicza Im Stanislawa Staszica W Krakowie
Priority to PL408318A priority Critical patent/PL229764B1/pl
Publication of PL408318A1 publication Critical patent/PL408318A1/pl
Publication of PL229764B1 publication Critical patent/PL229764B1/pl

Links

Landscapes

  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)

Abstract

Sposób wytwarzania dodatku o właściwościach przewodzących do kompozytów cementowych, zawierającego grafit ekspandowany wytworzony poprzez wygrzewanie grafitu interkalowanego w temperaturze 500 - 1000°C przez okres od 15 sekund do 5 minut w atmosferze utleniającej, charakteryzuje się tym, że wytwarza się zawiesinę grafitu ekspandowanego w dobrze zwilżającej go cieczy o niskiej lepkości, przy czym stosunek wagowy wody do grafitu ekspandowanego w zawiesinie zawiera się w przedziale 50 - 2000, a następnie zawiesinę poddaje się działaniu fal ultradźwiękowych o częstotliwości 28 - 50 kHz i mocy 50 -400 W/g grafitu ekspandowanego przez okres 0,5 - 2,0 godzin, aż do rozdrobnienia cząstek grafitu ekspandowanego do średniej wielkości, poniżej 40 µm, po czym odparowuje ciecz, aż do uzyskania koncentracji grafitu w zawiesinie co najmniej 10% wagowych.

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania dodatku o właściwościach przewodzących do kompozytów cementowych, znajdujących zastosowanie do monitorowania temperatury i stanu naprężeń obiektów budowlanych lub jako elementy grzejne np. w systemach odladzania nawierzchni drogowych.
Kompozyty cementowe o właściwościach przewodzących wytwarza się zazwyczaj poprzez zmieszanie dodatku przewodzącego z pozostałymi składnikami tj. cementem, piaskiem, a w przypadku betonów również z kruszywem grubym i wodą. Jako dodatki przewodzące zwykle stosuje się włókna węglowe, włókna stalowe, dodatki ziarniste np. nanometryczny Fe2O3, sadzę, mikrosfery z popiołu lotnego pokryte metalem lub pył grafitowy. Istotne jest, aby ilość wprowadzonych dodatków przewodzących przekraczała tzw. próg perkolacji, co zapewnia utworzenie trwałej ścieżki dla przepływającego prądu przez stykające się ze sobą włókna lub cząstki dodatków przewodzących. Próg ten zależy od stosunku geometrycznego długości do średnicy dodatków oraz ich ilości i sposobu rozmieszczenia w matrycy cementowej. Najlepsze właściwości wykazują włókna krótkie, gdyż osiągnięcie progu perkolacji jest możliwe już przy ich kilkuprocentowej zawartości, są to jednak materiały drogie co ogranicza ich aplikację. W przypadku zastosowania dodatku w postaci drobnego pyłu grafitowego, osiągnięcie progu perkolacji jest możliwe dopiero przy stosunkowo dużych ilościach wprowadzonych do matrycy cementowej, co najmniej 30% wagowych, a to z kolei zazwyczaj wywiera niekorzystny wpływ na inne właściwości kompozytów.
Znana jest ze zgłoszenia EP745061 A1 kompozycja przewodząca zawierająca spoiwo cementowe, dodatek przewodzący w postaci jednego lub większej ilości składników wybranych z grupy zawierającej włókna przewodzące w ilości 0-15% objętościowych, cząstki przewodzące np. miał koksowy, w ilości 0-80% objętościowych, wodę w proporcji wagowej w stosunku do cementu od 0,2 do 0,75, piasek w proporcji wagowej w stosunku do cementu od 0-2, gruboziarniste kruszywo w proporcji wagowej w stosunku do cementu od 0-2, dodatki i domieszki oraz ewentualnie środek dyspergujący.
Wynalazek US3962142 B1 opisuje beton przewodzący prąd elektryczny, w skład którego wchodzi spoiwo cementowe, korzystnie cement portlandzki, kruszywo oraz dodatek przewodzący w postaci cząstek materiałów węglowych zawierających co najmniej dwie frakcje dużych (średnica około 1 cm) i małych (średnica od 20-50 A) cząstkach, zawartych w betonie w ilości co najmniej 20% wagowych. Stosunek dużych cząstek do małych jest w zakresie od 1:1 do 50:1. Materiał węglowy występuje w postaci kalcynowanego koksu naftowego sadzy acetylenowej. Korzystnie beton zawiera środek spieniający i proszek aluminiowy.
W publikacji W. Pichór, J. Słomka pt.: „Właściwości kompozytów cementowych z dodatkiem grafitu ekspandowanego”, Cement Wapno Beton, R. 16/78, nr 4, 2011, ujawniono kompozyty cementowe zawierające dodatek grafitu ekspandowanego wytworzonego przez wygrzewanie grafitu interkalowanego w piecu laboratoryjnym, w temperaturze 600°C przez 10 minut. Przeprowadzone badania wykazały, że tworzenie ciągłej sieci stykających się ze sobą ziaren grafitu ekspandowanego w matrycy cementowej i osiągnięcie progu perkolacji następowało przy niewielkim jego dodatku tj. około 7% wagowych.
Grafit ekspandowany bardzo trudno dozować i równomiernie rozprowadzić w kompozytach cementowych, a tworzące się aglomeraty wpływają niekorzystnie na ich właściwości mechaniczne. Pewnym sposobem zapobiegania temu niekorzystnemu zjawisku jest wytworzenie spoiwa w postaci mieszaniny cementu portlandzkiego i grafitu ekspandowanego, a dopiero w takiej formie dodanie go do piasku kwarcowego w celu sporządzenia zaprawy.
Znane jest ze zgłoszenia wynalazku PL405784 A1 spoiwo cementowe stosowane do wytwarzania zapraw i betonów, wykazujących wysokie przewodnictwo elektryczne. Stanowi je mieszanina cementu portlandzkiego w ilości 90-97% wagowych i grafitu ekspandowanego w ilości 3-10% wagowych, przy czym grafit interkalowany przed dodaniem do cementu wygrzewa się w temperaturze 500-1000°C przez okres od 15 sekund do 5 minut, zaś składniki uciera ze sobą.
Mimo niewątpliwych zalet powyższego rozwiązania, zastosowanie gotowego spoiwa zamiast samego dodatku wiąże się z pewnymi niedogodnościami, a zwłaszcza z dużym pyleniem w czasie ucierania na sucho składników, co wymusza stosowanie układów zamkniętych wyposażonych w wysoce efektywne systemy odpylania.
PL 229 764 B1
Nieoczekiwanie okazało się, że istnieje możliwość przygotowania grafitu ekspandowanego w taki sposób, że już niewielki jego dodatek pozwala osiągnąć próg perkolacji w kompozytach, a jednocześnie nie pogarsza ich właściwości mechanicznych.
Sposób wytwarzania dodatku o właściwościach przewodzących do kompozytów cementowych, zawierającego grafit ekspandowany wytworzony poprzez wygrzewanie grafitu interkalowanego w temperaturze 500-1000oC przez okres od 15 sekund do 5 minut w atmosferze utleniającej charakteryzuje się tym, że wytwarza się zawiesinę grafitu ekspandowanego w dobrze zwilżającej go cieczy o niskiej lepkości, przy czym stosunek wagowy wody do grafitu ekspandowanego w zawiesinie zawiera się w przedziale 50-2000. Następnie zawiesinę poddaje się działaniu fal ultradźwiękowych o częstotliwości 28-50 kHz i mocy 50-400 W/g grafitu ekspandowanego przez okres 0,5-2,0 godzin, aż do rozdrobnienia cząstek grafitu ekspandowanego do średniej wielkości poniżej 40 μm, po czym odparowuje ciecz, aż do uzyskania koncentracji grafitu w zawiesinie co najmniej 10% wagowych.
Korzystnie jako ciecz stosuje się wodę z dodatkiem środka powierzchniowo czynnego, przy czym ilość środka powierzchniowo czynnego stanowi 0,05-3,00% wagowych wody.
Korzystnie jako ciecz stosuje się osobno lub w mieszaninie aceton lub alkohole wybrane z grupy zawierającej metanol, etanol, propanol i butanol lub węglowodory aromatyczne takie jak benzen lub toluen.
W wyniku obróbki grafitu ekspandowanego za pomocą fal ultradźwiękowych o wysokich częstotliwościach uzyskuje się dodatek o bardzo małych cząstkach, który po wprowadzeniu do kompozytu cementowego już w niewielkiej ilości, rzędu 2-4% wagowych w stosunku do spoiwa, umożliwia osiągnięcie progu perkolacji. Dzięki temu kompozyty cementowe zawierające dodatek wytworzony sposobem według niniejszego wynalazku uzyskują zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego bez istotnego pogorszenia ich podstawowych właściwości użytkowych, takich jak wytrzymałość mechaniczna i trwałość. Obecność środka powierzchniowo czynnego w wodzie ułatwia rozbijanie ultradźwiękami dużych cząstek grafitu na mniejsze, a ponadto w kompozycie pełni on później rolę plastyfikatora, poprawiając dyspersję cząstek grafitu w matrycy cementowej.
Przedmiot wynalazku został określony w poniższych przykładach wykonania, dla których przedstawiono na rysunku rozkład wielkości cząstek grafitu ekspandowanego po ich obróbce za pomocą fal ultradźwiękowych o wysokich częstotliwościach (d0) oraz porównawczo rozkład wielkości cząstek wyjściowych (dw).
P r z y k ł a d 1
Grafit ekspandowany uzyskany przez wygrzewanie w temperaturze 1000°C przez 30 sekund w atmosferze utleniającej wprowadzono do mieszaniny wody z dodatkiem 1,0% środka powierzchniowo czynnego w postaci sulfapolu. Stosunek wagowy wody do grafitu wynosił 500.
Otrzymaną zawiesinę poddano obróbce falami ultradźwiękowymi o częstotliwości 40 kHz i mocy 160 W/g grafitu przez 1 godzinę. Po uzyskaniu średniej wielkości cząstek grafitu ekspandowanego poniżej 40 μm odparowano wodę, aż do uzyskania koncentracji grafitu w zawiesinie równej 20% wagowych.
Następnie przygotowano surowce:
36,1% wagowych cementu portlandzkiego CEM 42,5R;
48,0% wagowych piasku kwarcowego o wielkości cząstek 0-1 mm;
8,7% wagowych wody.
Do wymienionych surowców dodano przygotowaną wcześniej zawiesinę grafitu ekspandowanego w ilości 7,2% wagowych, co w przeliczeniu na suchą masę z dodatkiem 1,0% środka powierzchniowo czynnego stanowi 4,0% wagowych grafitu ekspandowanego w stosunku do cementu.
Z powyższych surowców wykonano kompozyt cementowy, dodatkowo uzupełniając masę wodą do uzyskania stosunku woda/cement 0,40.
Po 28 dniach dojrzewania w wodzie zbadano właściwości uzyskanego kompozytu oraz dla porównania zaprawy referencyjnej bez dodatku przewodzącego (w stanie suchym).
PL 229 764 Β1
Wyniki przedstawiono w poniższej tabeli.
Tabela 1
Badany parametr Zaprawa z dodatkiem otrzymanym sposobem według wynalazku Zaprawa referencyjna
Rezystywność 170,3 Ω-cm >106Ω·ατ
Współczynnik Seebecka 4,6 pV/K brak efektu
Współczynnik temperaturowy rezystywności -0,00090 1/K brak efektu
Wytrzymałość na ściskanie 12,8 MPa 33,6 MPa
Wytrzymałość na zginanie 6,4 MPa 14,2 MPa
Przykład 2
Grafit ekspandowany uzyskany przez wygrzewanie w temperaturze 1000°C przez 30 sekund w atmosferze utleniającej wprowadzono do acetonu. Stosunek wagowy acetonu do grafitu wynosił 500.
Otrzymaną zawiesinę poddano obróbce falami ultradźwiękowymi o częstotliwości 40 kHz i mocy 160 W/g grafitu przez 1 godzinę. Po uzyskaniu średniej wielkości cząstek grafitu ekspandowanego poniżej 40 pm całkowicie odparowano aceton.
Następnie przygotowano surowce:
36,1% wagowych cementu portlandzkiego CEM 42,5R;
48,0% wagowych piasku kwarcowego o wielkości cząstek 0-1 mm;
14,4% wagowych wody
Otrzymany grafit ekspandowany w ilości 1,5% wagowych najpierw wymieszano z wodą, a następnie w formie zawiesiny dodano do pozostałych składników.
Po 28 dniach dojrzewania w wodzie zbadano właściwości uzyskanego kompozytu cementowego oraz dla porównania zaprawy referencyjnej bez dodatku przewodzącego (w stanie suchym). Wyniki przedstawiono w poniższej tabeli:
Badany parametr Zaprawa z dodatkiem otrzymanym sposobem według wynalazku Zaprawa referencyjna
Rezystywność 11 kΩcm >106 Ω-cm
Współczynnik Seebecka brak efektu brak efektu
Współczynnik temperaturowy rezystywności brak efektu brak efektu
Wytrzymałość na ściskanie 22,4 MPa 33,6 MPa
Wytrzymałość na zginanie 7,9 MPa 14,2 MPa
Przykład 3
Grafit ekspandowany uzyskany przez wygrzewanie w temperaturze 1000°C przez 30 sekund w atmosferze utleniającej wprowadzono do mieszaniny wody z dodatkiem 1,0% środka powierzchniowo czynnego w postaci sulfapolu. Stosunek wagowy wody do grafitu wynosił 500. Otrzymaną zawiesinę poddano obróbce falami ultradźwiękowymi o częstotliwości 40 kHz i mocy 200 W/g grafitu przez 45 minut. Po uzyskaniu średniej wielkości cząstek grafitu ekspandowanego poniżej 40 pm odparowano wodę, aż do uzyskania koncentracji grafitu w zawiesinie równej 20,0% wagowych.
PL 229 764 Β1
Następnie przygotowano surowce:
36,2% wagowych cementu portlandzkiego CEM 42,5R;
48,2% wagowych piasku kwarcowego o wielkości cząstek 0-1 mm;
10,2% wagowych wody.
Do wymienionych surowców dodano przygotowaną wcześniej zawiesinę grafitu ekspandowanego w ilości 5,4% wagowych, co w przeliczeniu na suchą masę z dodatkiem 1,0% środka powierzchniowo czynnego stanowi 3,0% wagowych grafitu ekspandowanego w stosunku do cementu.
Z powyższych surowców wykonano kompozyt cementowy, dodatkowo uzupełniając masę wodą do uzyskania stosunku woda/cement 0,40.
Po 28 dniach dojrzewania w wodzie zbadano właściwości uzyskanego kompozytu oraz dla porównania zaprawy referencyjnej bez dodatku przewodzącego (w stanie suchym). Wyniki przedstawiono w poniższej tabeli:
Badany parametr Zaprawa z dodatkiem otrzymanym sposobem według wynalazku Zaprawa referencyjna
Rezystywność 568,6 Ω-cm >106 Ω-cm
Współczynnik Seebecka 4,9 pV/K brak efektu
Współczynnik temperaturowy rezystywności -0,00056 1/K brak efektu
Wytrzymałość na ściskanie 14,3 MPa 33,6 MPa
Wytrzymałość na zginanie 6,8 MPa 14,2 MPa
Zastrzeżenia patentowe

Claims (3)

1. Sposób wytwarzania dodatku o właściwościach przewodzących do kompozytów cementowych, zawierającego grafit ekspandowany wytworzony poprzez wygrzewanie grafitu interkalowanego w temperaturze 500-1000°C przez okres od 15 sekund do 5 minut w atmosferze utleniającej, znamienny tym, że wytwarza się zawiesinę grafitu ekspandowanego w dobrze zwilżającej go cieczy o niskiej lepkości, przy czym stosunek wagowy wody do grafitu ekspandowanego w zawiesinie zawiera się w przedziale 50-2000, a następnie zawiesinę poddaje się działaniu fal ultradźwiękowych o częstotliwości 28-50 kHz i mocy 50-400 W/g grafitu ekspandowanego, przez okres 0,5-2,0 godzin, aż do rozdrobnienia cząstek grafitu ekspandowanego do średniej wielkości poniżej 40 μπι, po czym odparowuje ciecz, aż do uzyskania koncentracji grafitu w zawiesinie co najmniej 10% wagowych.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako ciecz stosuje się wodę z dodatkiem środka powierzchniowo czynnego, przy czym ilość środka powierzchniowo czynnego stanowi 0,05-3,00% wagowych wody.
3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że jako ciecz stosuje się osobno lub w mieszaninie aceton lub alkohole wybrane z grupy zawierającej metanol, etanol, propanol i butanol lub węglowodory aromatyczne takie jak benzen lub toluen.
PL408318A 2014-05-26 2014-05-26 Sposób wytwarzania dodatku o właściwościach przewodzących do kompozytów cementowych PL229764B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL408318A PL229764B1 (pl) 2014-05-26 2014-05-26 Sposób wytwarzania dodatku o właściwościach przewodzących do kompozytów cementowych

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL408318A PL229764B1 (pl) 2014-05-26 2014-05-26 Sposób wytwarzania dodatku o właściwościach przewodzących do kompozytów cementowych

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL408318A1 PL408318A1 (pl) 2015-12-07
PL229764B1 true PL229764B1 (pl) 2018-08-31

Family

ID=54776554

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL408318A PL229764B1 (pl) 2014-05-26 2014-05-26 Sposób wytwarzania dodatku o właściwościach przewodzących do kompozytów cementowych

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL229764B1 (pl)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12365623B2 (en) * 2020-09-11 2025-07-22 Icon Technology, Inc. 3D printable cementitious ink including electromagnetic pulse resistant binders

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12365623B2 (en) * 2020-09-11 2025-07-22 Icon Technology, Inc. 3D printable cementitious ink including electromagnetic pulse resistant binders

Also Published As

Publication number Publication date
PL408318A1 (pl) 2015-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sedaghat et al. Investigation of physical properties of graphene-cement composite for structural applications
Wu et al. Three-phase composite conductive concrete for pavement deicing
Chen et al. Investigation on electrically conductive aggregates produced by incorporating carbon fiber and carbon black
KR20150088314A (ko) 탄소질 나노충전제 및 초가소제 기재의 마스터 혼합물을 제조하는 방법 및 이의 경화성 무기계 내 용도
WO2021116676A1 (en) Geopolymer composition, a method for preparing the same and its uses
CN106082837A (zh) 一种石墨烯导电混凝土
Medina et al. Improvement of the mechanical and physical properties of cement pastes and mortars through the addition isostatic graphite
KR102246779B1 (ko) 도전성 탄소를 포함하여 전자파 차폐효과를 구현함과 동시에 우수한 압축강도를 갖는 초고성능 콘크리트 조성물 및 그 제조방법
RU2447036C1 (ru) Композиция для получения строительных материалов
EP3838864B1 (en) Electrically conductive binder for manufacturing heatable building parts
CN109020416B (zh) 高性能石墨烯混凝土及其制备方法
CN105367007B (zh) 一种掺石墨和聚苯胺的导电混凝土及其制备方法
CN105272021B (zh) 抗爆早强导电混凝土及施工方法
CN120647278A (zh) 一种低碳导电混凝土及其制备方法
KR101135613B1 (ko) 경량 도전성 접지봉의 제작방법
Bodnarova et al. Study the effect of carbon nanoparticles in concrete
CN108298988A (zh) 一种用于注浆成型的碳化硅浆料的制备方法
NO20141145A1 (no) En sammensetning for produksjon av byggematerialer
Fan et al. Effect of a carbon fibre-steel fibre-graphite conductive filler on the electrothermal properties of cementitious materials
WO2022189027A1 (de) Elektrisch leitfähiges baumaterial, insbesondere beton, mit einem elektrisch leitfähigen additiv auf basis von graphit
RU2419592C1 (ru) Способ получения гидрофобного цемента с улучшенными прочностными характеристиками
PL230886B1 (pl) Spoiwo cementowe
Olivia et al. Compressive strength, porosity, and density of mortar containing precipitated silica from Palm Oil Fuel Ash (POFA)
JPH0559059B2 (pl)
DE102021117442A1 (de) Elektrisch leitfähiges Baumaterial, insbesondere Beton, mit einem elektrisch leitfähigen Additiv auf Basis von Kohlenstofffasern und Graphit