Технология изделий из электропроводного бетона
Получение бетэла основано на введении в его состав заполнителей, обладающих электронным характером электропроводности (так называемой проводящей фазы) и превращение его в неметаллический проводник композиционного типа. Цементный камень, как обладающий ионным характером электропроводности, должен быть почти полностью исключен из общей проводимости композиции, а его сопротивление должно быть на 6—10 порядков выше, чем у всей системы. Этого можно добиться как за счет подбора исходного состава цемента, так и путем изменения в нужном направлении фазового состава цементного камня, что достигается с помощью оптимального, с точки зрения получения необходимых электрических свойств, режима твердения вяжущего.
Изделия на основе портландцемента в интервале температур от —50 до +200°С обладают хорошей температуростойкостью. Опыт долголетней эксплуатации железобетонных опор ЛЭП показал удовлетворительную короностойкость цементного камня. В качестве недостатка следует отметить некоторую его пористость, что вызывает необходимость в ряде случаев защиты конструкций из бетэла от увлажнения при наружной установке.
Многолетний отечественный и зарубежный опыт получения и применения композиционных неметаллических проводников позволяет сформулировать основные требования к проводящей фазе, которые распространяются и на бетэл.
Проводящая фаза бетэла должна обладать необходимой электропроводностью, достаточной механической прочностью, температуростойкостью и способностью не окисляться при локальных перегревах композиции. Она не должна вступать в химическое взаимодействие с вяжущим, приводящее к новым качественным состояниям и изменению электропроводности системы; коэффициент ее линейного расширения должен быть близким по величине к коэффициенту линейного расширения вяжущего или несколько меньшим. В противном случае увеличение давления в контактах цепочек проводящей фазы при изменении температуры приведет к значительному увеличению проводимости и, следовательно, температурной нестабильности композиции или может даже вызвать разрушение изделия. Кроме того, ее собственная электропроводность должна иметь минимальную зависимость от температуры. Наиболее полно этим требованиям отвечают разновидности специальных саж, которые и нашли широкое применение для получения композиционных проводников на основе керамики, жидкого стекла, полимеров и каучука. Сажевый компонент, в частности наряду с железными опилками, составляет основу американского электропроводного бетона. В отличие от него в качестве проводящей фазы бетэла приняты углеродистые химпродукты, полученные в резудьтате специальной высокотемпературной обработки природных углей и нефти (некоторые коксы, электродная масса ЭУ и др.).
При объемном содержании сажи выше 30% происходит полная потеря механической прочности композиции.
В состав бетэла в зависимости от вида и назначения конструкций вводят мелкий и крупный заполнители. Таким образом, бетэл представляет собой разновидность бетона с микронаполнителем. Основными параметрами бетэла, как это вытекает из его назначения, являются электропроводность и механическая прочность.
Удельное электрическое сопротивление композиционного проводящего материала будет в первую очередь зависеть от объемной концентрации проводящей фазы, ее гранулометрии или удельной поверхности, удельного электрического сопротивления самого углерода и от количества воды в бетэловой смеси. При работе с одним видом технического углерода и определенной его гранулометрией решение задачи сводится при заданном конечном удельном сопротивлении бетэла к нахождению необходимой объемной концентрации углерода и оптимального количества воды.
Концентрация проводящей фазы в бетэле будет зависеть от соотношения углерод : цемент, коэффициента раздвижки к раздв. зерен мелкого заполнителя и его пустотности.
Наиболее сложно выявить зависимость удельного электрического сопротивления бетэла от воды затворения. Цемент и углерод, входящие в состав смеси, — это сильно дисперсные гидрофильные материалы и для придания смеси необходимой подвижности требуется ввести в нее значительное количество воды. При этом подвижность бетэловой смеси не является функцией водоцементного отношения, так как при изменении соотношения углеродщемент для сохранения той же подвижности необходимо менять В/Ц в значительных пределах. Вместе с тем при превышении определенного предела содержания воды в смеси наблюдается рост электрического сопротивления при неизменном количестве углерода.
Прочностные характеристики бетэла, по-видимому, будут зависеть от тех же факторов, что и для обычного бетона, т. е. от марки цемента и водоцементного отношения.
Однако эта зависимость в связи с наличием в системе значительного количества тонкодисперсного углерода, будет более сложной и ее необходимо исследовать в дальнейшем.
Проектирование состава бетэловои смеси наиболее рационально вести, пользуясь методом абсолютных объемов. Содержание воды в смеси необходимо определять в каждом отдельном случае экспериментально, добиваясь заданной величины удобоукладываемости.
Приготовление бетэловои смеси осложнено по сравнению с обычными бетонными и растворными тем обстоятельством, что в нее вводится большое количество тонкодисперсной проводящей фазы, которая должна быть максимально равномерно распределена по всему ее объему. В противном случае бетэл, полученный из этой смеси, будет недостаточно однороден, что может резко снизить его эксплуатационные характеристики или вообще сделать невозможным его применение в качестве электропроводящего материала.
Наиболее целесообразно приготовление бетэловои смеси вести при помощи агрегатов принудительного действия в следующей последовательности. Отдозированные компоненты загружаются в мешалку, где перемешиваются всухую не менее 3 мин. Затем туда наливается вода и смешение продолжается еще не менее 3 мин. Смесь из растворомешалки выгружается и транспортируется к месту укладки. После освобождения растворомешалки от бетэловои смеси необходимо произвести ее тщательную очистку и промывку. Уплотнение смеси в формах производится на стандартных виброплощадках или с помощью поверхностных или глубинных вибраторов. Контрольные испытания прочности бетэла проводятся на образцах стандартного для бетона размера по существующим ГОСТ. Режим твердения изделий подбирается в зависимости от имеющихся возможностей и технических условий на изготовление, при этом оптимальной является гидротермальная обработка при повышенном давлении.
Технология изготовления изделий из бетэла с мелким заполнителем производится в следующей последовательности:
— обработка проводящего компонента — дробление, вибропомол, отсев крупной фракции и весовая дозировка;
— обработка и весовая дозировка кварцевого песка;
— весовая дозировка цемента;
— сухое перемешивание трех исходных компонентов;
— весовая дозировка воды;
— влажное перемешивание смеси;
— укладка (формовка) бетэловои смеси и ее уплотнение;
— выдержка изделий перед тепловой обработкой;
— гидротермальная обработка;
— распалубка и доводка изделий;
— контроль качества изделий и их складирование.
Технология изготовления изделий из бетэла принципиально ничем не отличается от технологии изготовления конструкций из обычного бетона, дополняясь лишь технологической ниткой переработки и дозирования технического углерода, а также в случае необходимости для ряда изделий операциями по их специальной доводке (нанесение защитных покрытий, установка электродов и др.). Следует также отметить, что при изготовлении изделий из бетэла резко возрастают требования к культуре производства и к точности выполнения отдельных операций, в частности к дозировке воды, так как при ее нарушении может значительно измениться удельное электрическое сопротивление и изделие нужного качества не будет получено.