PL231222B1 - Zastosowanie szungitu w spoiwie cementowym przewodzącym prąd elektryczny - Google Patents

Abstract

Elektroprzewodzące spoiwo cementowe jest mieszaniną 30,0 - 50% wagowych cementu portlandzkiego i 50,0 - 70,0% wagowych szungitu zawierającego 28,0 - 38,0% wagowych węgla, 57,0 - 66,0% wagowych SiO2, a resztę stanowią zanieczyszczenia mineralne. Korzystnie jako zanieczyszczenia mineralne szungit zawiera wagowo, w przeliczeniu na tlenki: 1,0 - 2,0% Fe2O3, 2,0 - 5,0% Al2O3, 1,0 - 2,0% K2O, 0 - 0,8% MgO, 0 - 0,3% Na2O, 0 - 1,5% S, 0 - 0,2% TiO2.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zastosowanie szungitu w spoiwie cementowym przewodzącym prąd elektryczny, przeznaczonym do wytwarzania zapraw i betonów, wykazujących dobre właściwości elektryczne.

W praktyce budowlanej coraz częściej stosuje się zaprawy cementowe i betony, które poza podstawowymi właściwościami użytkowymi tj. wytrzymałością i trwałością, posiadają dodatkowe cechy takie jak np. zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego. W zależności od zmian temperatury, naprężeń mechanicznych lub zawilgocenia, zmieniają się właściwości takich materiałów, co pozwala wykorzystać je do monitorowania temperatury i stanu naprężeń obiektów budowlanych, a w konsekwencji umożliwia z dużym wyprzedzeniem zapobiegać awariom lub katastrofom budowlanym, bez konieczności montażu dodatkowych czujników.

Zaprawy cementowe i betony wykazujące właściwości elektryczne występują zwykle w postaci mieszaniny spoiwa, kruszywa i wody, a ponadto zawierają dodatki przewodzące prąd elektryczny, nadające im unikalne właściwości. Jako dodatki przewodzące prąd w kompozytach cementowych zwykle stosuje się włókna węglowe, włókna stalowe, dodatki ziarniste np. nanometryczny Fe2CO3, sadzę, mikrosfery z popiołu lotnego pokryte metalem lub pył grafitowy.

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 o 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 i sadzy acetylenowej. Korzystnie beton zawiera środek spieniający i proszek aluminiowy.

Zgłoszenie wynalazku EP745061 A1 ujawnia kompozycję przewodzącą zawierającą 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.

Ważne jest, aby ilość wprowadzonych dodatków przekraczała tzw. próg perkolacji, który pojawia się w momencie utworzenia ciągłej sieci przez stykające się ze sobą włókna lub cząstki dodatków przewodzących. Próg ten zależy od stosunku geometrycznego długości do średnicy przewodzących dodatków oraz ich ilości i sposobu rozmieszczenia w matrycy cementowej. Przy zastosowaniu, jako dodatku włókien krótkich, osiągnięcie progu perkolacji jest możliwe dla ich kilkuprocentowej zawartości. Natomiast w przypadku użycia drobnego pyłu grafitowego, osiągnięcie progu perkolacji jest możliwe dopiero przy stosunkowo dużych ilościach wprowadzonych do matrycy cementowej, co najmniej 30% wagowych. Może to wywierać niekorzystny wpływ na pozostałe właściwości kompozytów, w tym na właściwości Teologiczne świeżej mieszanki cementowej.

W przypadku innego znanego dodatku przewodzącego prąd elektryczny w postaci szungitu, nie zaobserwowano takich negatywnych skutków, jak to ma miejsce w przypadku pyłu grafitowego. Szungit jest specyficznym rodzajem węgla kopalnego, składającego się z części organicznej, która składa się głównie z węgla, z części nieorganicznej zawierającej przede wszystkim SiO2 oraz niewielkiej ilości zanieczyszczeń, głównie Fe2CO3, AI2O3, MgO, Na2O, K2O, TiO2. Wykazuje on dobre właściwości elektryczne, a jednocześnie pucolanowe.

Badania, przedstawione w publikacji S. Kubica i in., pt.: „Badania nad zastosowaniem węgla szungit do otrzymywania betonów o zdolnościach radioekranujących”, Karbo 2009, 99-105 ujawniły mieszanki betonowe zawierające szungit w ilości do 20% wagowych. Z publikacji tej wynikało, że dodatek szungitu do cementu oraz wody nadawał uzyskanym betonom właściwości radioekranujące, natomiast nie wpływał korzystnie na właściwości elektroprzewodzące wytworzonych z nich zaczynów. Obserwowano wysoki opór elektryczny przy dodatku szungitu w ilości do 20% wagowych i dlatego też nie prowadzono badań oporności elektrycznej dla próbek o jego większej zawartości.

Natomiast w innej publikacji W. Pichór, M. Frąc „Właściwości kompozytów cementowych z dodatkiem szungitu” Dni Betonu : Wisła, 8-10 października 2012: konferencja, red. Piotr Kijowski, Jan Deja, przeprowadzono badania w kierunku właściwości przewodzących kompozytów cementowych

PL 231 222 B1 przy większej zawartości w nich szungitu, a mianowicie do 45% wagowych, które potwierdziły dobre właściwości przewodzące uzyskanych z niego kompozytów cementowych.

Jednakże w przypadku zastosowania dużych ilości szungitu, w ilości powyżej 50% wagowych bezpośrednio do zapraw i betonów, jak wiadomo z praktyki przemysłowej, istnieje trudność związana z dobrą homogenizacją tego dodatku w materiale. W rezultacie tworzą się aglomeraty, które działają jak wtrącenia w matrycy cementowej i powodują pogorszenie właściwości mechanicznych materiałów kompozytowych.

Aby uzyskać przewodzący kompozyt o ściśle określonych właściwościach, należy zapewnić stałe proporcje użytych składników. Jednakże, jak wynika z praktyki, w trakcie procesu wytwarzania kompozytu z szungitem istnieje konieczność zwiększenia ustalonej wcześniej ilości tego dodatku, tak by przede wszystkim uzyskać jednorodną mieszaninę, zapewniającą dobre właściwości mechaniczne surowca. Powoduje to zmianę założonych wcześniej właściwości elektrycznych materiału, który nie nadaje się do zastosowań wymagających precyzyjnie określonych parametrów np. w przypadku zastosowania w konstrukcji tzw. inteligentnych domów.

Okazało się, że powyższe niedogodności mogą zostać ograniczone przez rozwiązanie będące przedmiotem niniejszego wynalazku.

Istotę wynalazku stanowi zastosowanie szungitu w spoiwie cementowym przewodzącym prąd elektryczny przeznaczonym do wytwarzania zapraw i betonów, w którym to spoiwie zawartość szungitu wynosi 50,0-70,0% wagowych, przy czym szungitu zawiera 28,0-38,0% wagowych węgla, 57,0- 66,0% wagowych SiO2, a resztę stanowią zanieczyszczenia mineralne, a poza tym spoiwo zawiera 30,0-50,0% wagowych cementu portlandzkiego.

Korzystnie jako zanieczyszczenia mineralne szungit zawiera wagowo, w przeliczeniu na tlenki: 1,0-2,0 % Fe2Os, 2,0-5,0% AI2O3, 1,0-2,0 K2O, 0-0,8% MgO, 0-0,3% Na2O, 0-1,5% S, 0-0,2% TiO.·.

Zastosowanie szungitu w spoiwie cementowym przewodzącym prąd elektryczny według wynalazku umożliwia następnie wytworzenie kompozytu np. zaprawy czy betonu o ustalonych parametrach elektrycznych. Takie spoiwo może być stosowane w każdym rodzaju mieszalnika, przy dowolnej kompozycji pozostałych składników, niezależnie od rodzaju i ilość piasku, kruszywa, domieszek chemicznych, dodatków mineralnych, rozwiązując problem wymaganej homogenizacji i konieczności zmiany założonej na wstępie ilości składników. Niezależnie od sposobu mieszania spoiwa z innymi składnikami kompozytu, zostają zapewnione właściwości elektryczne i mechaniczne materiałów na oczekiwanym poziomie. Mogą być zatem z powodzeniem stosowane w konstrukcji tzw. inteligentnych domów np. do monitoringu temperatury przegród budowlanych lub do oceny stanu naprężeń konstrukcji.

Przedmiot wynalazku jest bliżej określony w poniższych przykładach, nie ograniczających jego zakresu.

P r z y k ł a d 1

Elektroprzewodzące spoiwo, w którym zastosowano szungit składa się wagowo z:

- 45,0 % cementu portlandzkiego CEM I 42,5R

- 55,0 % szungitu w skład którego wchodzi:

- 32,0 % wagowych węgla

- 57,0 % wagowych SiO2

- 11,0 % wagowych zanieczyszczeń mineralnych, w tym w przeliczeniu na tlenki 1,5% wagowych Fe2O3, 4,9% wagowych AI2O3, 1,4% wagowych K2O oraz 3,2% innych tlenków, przy czym zawartość każdego z nich oznaczona metodą XRF nie przekracza 1,0%.

Składniki mieszano przez 10 minut, uzyskując jednorodne spoiwo o nieco ciemniejszym zabarwieniu niż w przypadku typowego cementu. Następnie przygotowano kompozyt cementowy zawierający:

- 46,5 % wagowych spoiwa według wynalazku

- 34,9 % wagowych piasku kwarcowego o wielkości cząstek 0-1 mm

- 16,6 % wagowych wody

Po 28 dniach dojrzewania w wodzie zbadano właściwości uzyskanej zaprawy oraz dla porównania zaprawy referencyjnej zawierającej jako spoiwo sam cement bez dodatku szungitu (parametry zbadano w stanie suchym zapraw). Wyniki przedstawiono w tabeli 1:

PL 231 222 Β1

Tabela 1

Badany parametr	Zaprawa zawierająca spoiwo według wynalazku	Zaprawa referencyjna
rezystywność	3896 D cm	>10® Ω cm
wytrzymałość na ściskanie	22,0 MPa	35,2 MPa
wytrzymałość na zginanie	11,2 MPa	12,1 MPa

Przykład 2

Elektroprzewodzące spoiwo, w którym zastosowano szungit składa się wagowo z:

- 30,0 % wagowych cementu portlandzkiego CEM I 42,5R

- 70,0 % wagowych szungitu w skład którego wchodzi:

- 32,0 % wagowych węgla

- 57,0 % wagowych S1O2

- 11,0 % wagowych zanieczyszczeń mineralnych, w tym w przeliczeniu na tlenki: 1,5% wagowych Fe2C>3, 4,9% wagowych AI2O3, 1,4% wagowych K2O oraz 3,2% innych tlenków, przy czym zawartość każdego z nich oznaczona metodą XRF nie przekracza 1,0%.

Składniki mieszano przez 10 minut, uzyskując jednorodne spoiwo o nieco ciemniejszym zabarwieniu niż w przypadku typowego cementu.

Następnie przygotowano kompozyt cementowy zawierający:

- 46,5 % wagowych spoiwa według wynalazku

- 34,9 % wagowych piasku kwarcowego o wielkości cząstek 0-1 mm

- 18,6 % wagowych wody

Po 28 dniach dojrzewania w wodzie zbadano właściwości uzyskanej zaprawy oraz dla porównania zaprawy referencyjnej zawierającej jako spoiwo sam cement bez dodatku szungitu (parametry zbadano w stanie suchym zapraw). Wyniki przedstawiono w tabeli 2:

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Zastosowanie szungitu w spoiwie cementowym przewodzącym prąd elektryczny, przeznaczonym do wytwarzania zapraw i betonów, w którym zawartość szungitu wynosi 50,0-70,0% wagowych, przy czym szungit zawiera 28,0-38,0% wagowych węgla, 57,0-66,0% wagowych S1O2, a resztę stanowią zanieczyszczenia mineralne, a poza tym spoiwo zawiera 30,0-50,0% wagowych cementu portlandzkiego.

2. Zastosowanie, według zastrz. 1, znamienne tym, że jako zanieczyszczenia mineralne szungit zawiera wagowo, w przeliczeniu na tlenki: 1,0-2,0% Fe2C>3, 2,0-5,0% AI2O3, 1,0-2,0% K2O, 0-0,8% MgO, 0-0,3% Na₂O, 0-1,5% S, 0-0,2% TiO₂.