一种可充电、储电、放电的混凝土材料及制备方法
阅读说明：本技术 一种可充电、储电、放电的混凝土材料及制备方法 (Chargeable, electricity-storage and discharge concrete material and preparation method thereof ) 是由 蒋正武 张红恩 何倍 宋法成 于 2021-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种可充电、储电、放电的混凝土材料及制备方法,该混凝土材料包括以下原料组分：水泥、石英砂、石英粉、硅灰、碳纳米材料、钢纤维、减水剂、表面活性剂和水,按重量份数计,水泥的用量为600-1000份,石英砂用量为660-1100份,石英粉用量为210-350份,硅灰用量为150-251份,碳纳米材料为水泥总用量的0％～0.2％、钢纤维的体积掺量为1.0％～2.0％,减水剂用量为水泥总重量的1.0％～2.0％,表面活性剂用量为碳纳米材料用量的1.0～10.0。本发明通过掺加钢纤维和碳纳米材料,促使混凝土内部形成电容,在通电时,外界电能会储存在电容中,在断电后,储存的电能会自主释放。与现有技术相比,本发明混凝土具有高力学性能、高韧性、高抗渗性,还兼具充电、储存电能和释放电能的能力。(The invention relates to a chargeable, electricity-storage and discharge concrete material and a preparation method thereof, wherein the concrete material comprises the following raw material components: the cement-based composite material comprises, by weight, 1000 parts of 600-plus-one cement, 1100 parts of 660-plus-one quartz sand, 350 parts of 210-plus-one quartz powder, 251 parts of 150-plus-one silica ash, 0-0.2% of carbon nano-material, 1.0-2.0% of steel fiber by volume, 1.0-2.0% of water reducing agent by total weight, and 1.0-10.0% of surfactant by total weight. According to the invention, the steel fiber and the carbon nano material are added, so that a capacitor is formed in the concrete, external electric energy can be stored in the capacitor when the concrete is electrified, and the stored electric energy can be automatically released after the concrete is powered off. Compared with the prior art, the concrete has high mechanical property, high toughness and high impermeability, and also has the capability of charging, storing electric energy and releasing electric energy.)
技术领域
本发明属于新型节能建筑材料技术领域，涉及一种可充电、储电、放电的混凝土材料及制备方法。
背景技术
混凝土材料在基础设施中扮演着不可替代的角色。随着人类社会的不断进步和科技水平的蓬勃发展，尤其是随着智慧城市概念的提出，人们对混凝土材料的要求并不仅仅局限于超高力学性能、高抗渗性能和高耐久性，混凝土材料还应兼具结构健康检测、自感知、储存能量等智能功能。
长期以来，人们一直利用化学电池、燃料电池提供可再生能源，但是这些电池会产生汞、镉、铅、锌等重金属有毒物质，还会向环境中排放有毒气体。为此科学家发明各种装置利用太阳能、风能、潮汐能等新型清洁能源，但是为了科学高效的利用这些能源需要配备昂贵的设备和广阔的应用空间，此外，设备的耐久性以及产生的电能可否有效存储仍然是亟需解决的问题。如果可以把这些能源产生的电能储存在力学性能优异且工程造价低廉的混凝土之中，再把储存的电能合理利用转化成其他能量，那么将会引起一种新的能源革命。
科学家已初步将电容器件埋入混凝土中或者往混凝土中注入电解质溶液以赋予混凝土储存电能的能力，但是这种方法不仅会大幅提高混凝土的造价，还会对混凝土的力学性能和耐久性能造成不利影响，降低混凝土结构的服役寿命。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种可充电、储电、放电的混凝土材料及制备方法，以克服现有技术中混凝土的力学性能或耐久性能被破坏等问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一在于提供一种可充电、储电、放电的混凝土材料，包括以下原料组分：水泥、石英砂、石英粉、硅灰、碳纳米材料、钢纤维、减水剂、表面活性剂和水，按重量份数计，水泥的用量为600-1000份，石英砂用量为660-1100份，石英粉用量为210-350份，硅灰用量为150-251份，碳纳米材料为水泥总用量的0％～0.2％、钢纤维的体积掺量为1.0％～2.0％，减水剂用量为水泥总重量的1.0％～2.0％，表面活性剂用量为碳纳米材料用量的1.0～10.0倍。此处，当碳纳米材料加入量为水泥总用量的0％时，即表示此时碳纳米材料不添加，对应的，表面活性剂也不添加。
进一步的，所述水泥为比表面积为398m2/kg的硅酸盐水泥。
进一步的，所述石英砂的粒径范围为0.250mm-0.595mm或0.147mm-0.210mm中的一种或两种。
进一步的，所述石英砂与所述水泥的重量比为1.0～1.2：1。
进一步的，所述硅灰的比表面积为21.36m2/g。
进一步的，所述硅灰与所述水泥的重量比为0.24～0.28:1。
进一步的，水与水泥的重量比为0.21～0.26。
进一步的，所述碳纳米材料为碳纳米管、纳米碳纤维、石墨烯或氧化石墨烯的一种或者几种。
进一步的，所述碳纳米材料的纯度为80％～95％。
进一步的，所述碳纳米材料的直径为5～30nm。
进一步的，所述碳纳米材料的长度为10～30μm。
进一步的，所述表面活性剂为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子型表面活性剂、两性表面活性剂或复配表面活性剂的一种或者几种。
进一步的，所述钢纤维为平直形钢纤维、端钩型钢纤维或波形钢纤维中的一种或者几种。
进一步的，所述钢纤维的长度为5～20mm，长径比30～90。
本发明的技术方案之二在于提供如上所述的一种可充电、储电、放电的混凝土材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)取除石英砂、钢纤维以外的原料组分分散于水中，然后依次加入石英砂、钢纤维混合均匀，接着入模振实、抹平成型；
(2)在步骤(1)中所得混凝土的两端埋入电极，再次振实、抹平，然后静置、拆模，即得目的产物。
进一步的，步骤(1)中，当所述原料中含有碳纳米材料时，除石英砂、钢纤维以外的原料的分散过程具体为：
1)将碳纳米材料分散于表面活性剂的水溶液中，得到碳纳米材料分散液；
2)制备碳纳米材料分散液的步骤为：将表面活性剂加入水中，搅拌均匀至表面活性剂充分溶解，再加入碳纳米材料，初步制成碳纳米材料悬浊液，然后把碳纳米材料悬浊液放入超声分散设备分散10～20min，然后再利用转速为1800rpm的磁力搅拌器搅拌3～8min，最后再使用超声分散设备分散10～20min，制得碳纳米材料分散液。
3)将水泥、硅灰、石英粉和减水剂分散于步骤(1)中所得碳纳米材料分散液中，即完成除石英砂、钢纤维以外的原料的分散过程。
进一步的，步骤(2)中，所述电极为紫铜铜片或紫铜铜网电极。
更进一步的，所述紫铜铜片或紫铜铜网电极的厚度不超过1mm。
进一步的，步骤(2)中，在静置前，使用保鲜膜包裹混凝土，然后静置在标准条件下24h，再拆模。
进一步的，步骤(2)中，拆模后，把混凝土材料再放入温度90℃、湿度100％环境中养护48h，制得目的产物。
本发明混凝土材料充电、储电和放电的机理：混凝土各原料之间、反应产物之间或者原料和反应产物之间会在混凝土内部形成一列不同规格的空间，当这些空间周围布满一系列电的良导体时，这些空间就变成了具有一定储电能力的电容。本发明通过掺加不同比例的钢纤维和碳纳米材料，促使混凝土内部形成许许多多的电容。在通电时，外界的电能就会储存在混凝土内部的电容里面，同时，混凝土内部的游离阳离子和阴离子会在电流的作用下定向分布，在混凝土的端面分别形成正极和负极；在断电后，储存在混凝土内部的电能会自主释放出来，且持续时间最长达10h以上。
本发明中使用减水剂一方面可以优化混凝土材料的工作性能，便于浇筑成型，另一方面可以改善混凝土材料内部的空隙结构和钢纤维在混凝土材料内部的均匀分布。表面活性剂等试剂充当活化碳纳米材料的角色。碳纳米材料因其粒径非常小，比表面积大，极其容易在混凝土内部发生攒聚，形成薄弱区，不仅削弱混凝土材料性能还会浪费碳纳米材料，使用表面活性剂等试剂可以达到活化碳纳米材料的目的，使碳纳米材料可以均匀分布在混凝土材料中且不发生攒聚。将混凝土材料再放入温度90℃、湿度100％环境中养护48h，一方面可以加速水泥水化反应的进程，另一方面可以提高水泥的利用率。
此外，本发明中，如果石英砂的粒径过大，就会影响混凝土材料的孔隙率，浇筑成型的混凝土材料的强度就会明显降低。如果粒径过小就会影响混凝土材料的工作性能和水泥用量，进而影响混凝土材料的成型质量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明将导电相材料与混凝土有机结合，使混凝土不仅具有高力学性能、高韧性、高抗渗性，还兼具充电、储存电能和释放电能的独特能力。
(2)本发明提高硅灰的比例，可以有效提高碳纳米材料在混凝土内部的分散能力。
(3)本发明先将水泥、硅灰、石英粉和碳纳米材料混合在一起搅拌至流动状态，再加入石英砂搅拌至均质状态后加入钢纤维可以进一步提高碳纳米材料在混凝土内部的分散能力。
(4)本发明制备的可充电、储电、放电超高性能混凝土材料可达到如下技术标准：
1)力学性能：28天的抗压强度≥152MPa，抗折强度≥34MPa；
2)20V电源充电1h条件下28d的单位电能存储量为13V/m3～16.3V/m3，最大自主放电时长达10h以上；
3)抗渗性：抗渗等级≥P6(抗渗等级按照规范《T 0568─2005水泥混凝土抗渗性试验方法》测定)。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的混凝土材料的放电趋势；
图2为本发明实施例2制备的混凝土材料的放电趋势；
图3为本发明实施例3制备的混凝土材料的放电趋势。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，硅灰的比表面积为21.36m2/g；碳纳米材料的纯度为80％～95％，直径为5～30nm，长度为10～30μm；所述钢纤维的长度为5～20mm，长径比30～90。
同时，实施例中的原材料均为市售产品，水泥为江南小野田52.5早强水泥；硅灰为上海天皑970U微硅粉；石英砂为上海胜阔；石英粉为上海胜阔；钢纤维为江西大业金属有限公司生产的镀铜钢纤维；减水剂为；碳纳米管为中国科学院成都有机化学有限公司生产的TNIMH1；表面活性剂为中国科学院成都有机化学有限公司生产的TNWDIS非离子型表面活性剂。
其余所采用的原料或处理步骤若无特别说明，则表示采用的现有常规市售产品或常规技术。
实施例1：
一种可充电、储电、放电的混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照表1称量原料：本实施例中，钢纤维为长度13mm，长径比65的镀铜直纤维。
表1实施例1原料配合比
(2)先加入水泥、硅灰、石英粉和减水剂，混合均匀后再加入水搅拌至流动状态，然后按照1:1比例加入0.147mm-0.210mm和0.250mm-0.595mm两种粒径的石英砂搅拌至均质状态，再加入钢纤维搅拌至钢纤维分散均匀，入模振实、抹平成型；
(3)振实、抹平成型后，立即在混凝土两端埋入厚度1mm的紫铜铜片电极，再次振实、抹平，确保电极和混凝土连接良好；
(4)使用保鲜膜包裹成型的试件，然后静置在标准条件下24h后，拆模，然后把混凝土材料再放入温度90℃、湿度100％环境中养护48h，制得可充电、储电、放电的混凝土材料。
根据实施例1制备的可充电、储电、放电的混凝土材料，在20V电压下充电1h后的放电趋势如图1所示，该混凝土材料的最大自主放电时长达10h以上。28天性能测试表明该混凝土材料的抗压强度为152MPa，抗折强度为34.57MPa,最大电能存储量为13V/m3,最大电流面密度3.54x 10-2A/m2，抗渗等级≥P6。
实施例2：
一种可充电、储电、放电的混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按表2称取原材料：本实施例中，碳纳米材料为(碳纳米管)，表面活性剂为非离子型表面活性剂，钢纤维为长度13mm、长径比65的镀铜直纤维。
表2实施例2原料配合比
(2)将表面活性剂加入水中，搅拌均匀至表面活性剂充分溶解，再加入碳纳米材料，初步制成碳纳米材料悬浊液，然后把碳纳米材料悬浊液放入超声分散设备分散15min，然后再利用转速为1800rpm的磁力搅拌器搅拌5min，最后再使用超声分散设备分散15min，制得碳纳米材料分散液待用；
(3)先加入水泥、硅灰、石英粉和减水剂，混合均匀后再加入上述制备的碳纳米材料分散液搅拌至流动状态，然后加入0.250mm-0.595mm粒径的石英砂搅拌至均质状态，再加入钢纤维搅拌至钢纤维分散均匀，入模振实、抹平成型；
(4)振实、抹平成型后，立即在混凝土两端埋入厚度1mm的紫铜铜网电极，再次振实、抹平，确保电极和混凝土连接良好；
(5)使用保鲜膜包裹成型的试件，然后静置在标准条件下24h后，拆模，然后把混凝土材料再放入温度90℃、湿度100％环境中养护48h，制得可充电、储电、放电的混凝土材料。
根据实施例2制备的可充电、储电、放电的混凝土材料，在20V电压下充电1h后的放电趋势如图2所示，该混凝土材料的最大自主放电时长达10h以上。28天的性能测试表明该混凝土材料的抗压强度为172MPa，抗折强度为37MPa,最大电能存储量为14.9V/m3,最大电流面密度4.49x 10-2A/m2，抗渗等级≥P6。
实施例3：
一种可充电、储电、放电的混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按表3称取原材料：本实施例中，碳纳米材料为碳纳米管，表面活性剂为非离子型表面活性剂，钢纤维为长度18mm、长径比90的镀铜直纤维。
表3实施例3原料配合比
(2)将表面活性剂加入水中，搅拌均匀至表面活性剂充分溶解，再加入碳纳米材料，初步制成碳纳米材料悬浊液，然后把碳纳米材料悬浊液放入超声分散设备分散15min，然后再利用转速为1800rpm的磁力搅拌器搅拌5min，最后再使用超声分散设备分散15min，制得碳纳米材料分散液待用；
(3)先加入水泥、硅灰、石英粉和减水剂，混合均匀后再加入上述制备的碳纳米材料分散液搅拌至流动状态，然后加入0.147mm-0.210mm粒径的石英砂搅拌至均质状态，再加入钢纤维搅拌至钢纤维分散均匀，入模振实、抹平成型；
(4)振实、抹平成型后，立即在混凝土两端埋入厚度1mm的紫铜铜片电极，再次振实、抹平，确保电极和混凝土连接良好；
(5)使用保鲜膜包裹成型的试件，然后静置在标准条件下24h后，拆模，然后把混凝土材料再放入温度90℃、湿度100％环境中养护48h，制得可充电、储电、放电的混凝土材料。
根据实施例3制备的可充电、储电、放电的混凝土材料，在20V电压下充电1h后的放电趋势如图3所示，该混凝土材料的最大自主放电时长达10h以上。28天的性能测试表明该混凝土材料的抗压强度为160MPa，抗折强度为35.4MPa，最大电能存储量为16.3V/m3，最大电流面密度7.51x 10-2A/m2，抗渗等级≥P6。
对比例1：
本实施例的混凝土材料的制备方法包括如下步骤：
(1)按表4称量原料：
表4对比例1原料配合比
(2)先加入水泥、硅灰、石英粉和减水剂，混合均匀后再加入水搅拌至流动状态，然后按照1:1比例加入0.147mm-0.210mm和0.250mm-0.595mm两种粒径的石英砂搅拌至均质状态，入模振实、抹平成型；
(3)振实、抹平成型后，立即在混凝土两端埋入厚度1mm的紫铜铜片电极，再次振实、抹平，确保电极和混凝土连接良好；
(4)使用保鲜膜包裹成型的试件，然后静置在标准条件下24h后，拆模，然后把混凝土材料再放入温度90℃、湿度100％环境中养护48h，制得对比例混凝土材料。
根据对比例1制备的混凝土材料，28天性能测试表明该混凝土材料的抗压强度为70MPa，抗折强度为6MPa,抗渗等级≥P4电能存储量为0V/m3,最大电流面密度0A/m2，即没表现出可充电、储电和放电性能。
实施例4
与实施例2相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将表面活性剂的配比改为0.75kg.m-3。
实施例5
与实施例2相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将表面活性剂的配比改为7.5kg.m-3。
实施例6
与实施例2相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将减水剂的配比改为7.4kg.m-3。
实施例7
与实施例2相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将石英砂的配比改为740kg.m-3。
实施例8
与实施例2相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将石英砂的配比改为888kg.m-3。
实施例9
与实施例2相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将硅灰的配比改为177.6kg.m-3。
实施例10
与实施例2相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将硅灰的配比改为207.2kg.m-3。
实施例11
与实施例2相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将石英粉的配比改为370kg.m-3。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
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