本發(fā)明涉及高導(dǎo)熱混凝土領(lǐng)域，特別涉及一種高流動性高導(dǎo)熱混凝土及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、地下電力管道的安全穩(wěn)定運行是城市工業(yè)和居民生活的生命線。運行過程中導(dǎo)線易發(fā)熱，熱量在電力管道封閉空間內(nèi)易累積引起系統(tǒng)溫升，導(dǎo)致現(xiàn)有地下電力系統(tǒng)均為降級運行，輸電效率無法得到正常發(fā)揮，甚至使用不當(dāng)易導(dǎo)致安全風(fēng)險。如何設(shè)計熱傳導(dǎo)路徑，構(gòu)建地下電力管道高效散熱方法，是提升地下電力系統(tǒng)運載能力、解決潛在風(fēng)險最具潛力的技術(shù)方向。地下電力管道的主要結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)線、管道和包封混凝土結(jié)構(gòu)。從傳熱路徑上來看，熱量通過管道傳導(dǎo)至包封混凝土，再傳導(dǎo)給環(huán)境（土壤）。其中混凝土結(jié)構(gòu)是熱傳導(dǎo)的第一級，其導(dǎo)熱能力，決定熱量能否快速穩(wěn)定導(dǎo)出。

2、在電力排管工程中，起到重要的支撐及保護(hù)作用的包封材料通常采用c20混凝土，需要高承載能力的特殊通道，會提高混凝土標(biāo)號，但混凝土標(biāo)號對導(dǎo)熱系數(shù)的影響不大。通常情況下，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為1.4～1.7w/(m·k)，如鋼筋混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)會略微提高，最高可達(dá)2.5w/(m·k)，因為鐵單質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)約為80w/(m·k)。從微觀組成來看，混凝土材料包括水泥漿體、骨料及孔結(jié)構(gòu)等，水泥漿體導(dǎo)熱系數(shù)約為1.2w/(m·k)，混凝土骨料的導(dǎo)熱系數(shù)為1.0～2.5w/(m·k)，孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)接近空氣0.025w/(m·k)。因此混凝土導(dǎo)熱能力可通過在水泥漿體中引入高導(dǎo)熱材料、選擇高導(dǎo)熱骨料、降低孔隙率等方面進(jìn)行優(yōu)化。

3、然而，導(dǎo)熱材料選擇及熱傳導(dǎo)路徑的設(shè)計存在不確定性，同時高導(dǎo)熱材料的加入對混凝土工作性、力學(xué)性能、耐久性的影響，以及高導(dǎo)熱骨料需要評估對混凝土長期性能的影響，也存在不確定性。

4、因此，開發(fā)高導(dǎo)熱型包封材料，對于構(gòu)建地下電力管道熱傳導(dǎo)通道，提升線路載流能力，確保安全穩(wěn)定運行，具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題和提出的技術(shù)任務(wù)是對現(xiàn)有技術(shù)方案進(jìn)行完善與改進(jìn)，提供一種高流動性高導(dǎo)熱混凝土，以解決現(xiàn)有地下電力管道包封混凝土導(dǎo)熱系數(shù)不足導(dǎo)致散熱效率低，導(dǎo)致地下電力系統(tǒng)均為降級運行，輸電效率無法得到正常發(fā)揮等問題為目的。為此，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案。

2、一種高流動性高導(dǎo)熱混凝土，按質(zhì)量份數(shù)包括：

3、16～17份高鐵相硅酸鹽水泥、2～2.5份鋼渣、0.4～0.6份超細(xì)石墨粉、3～4份石墨顆粒、24～27份石英砂、42～45份高導(dǎo)熱骨料、0.32～0.34份功能外加劑和6.8～7.0份水；

4、其中，所述高導(dǎo)熱骨料由以下質(zhì)量百分比原料制備得到：55～65%超細(xì)石英砂、15～25%鋼渣、15～25%磨細(xì)石灰及5～7%碳納米管。

5、本技術(shù)方案將高導(dǎo)熱摻合料、高導(dǎo)熱材料和高導(dǎo)熱骨料加入水泥中，并且通過功能外加劑的流動性調(diào)節(jié)，使得在保證高工作性的同時，其導(dǎo)熱系數(shù)明顯高于普通混凝土，不僅提高了工程建設(shè)的施工效率，同時其自身的高導(dǎo)熱性可有效降低電纜輸送電過程中產(chǎn)生的熱損耗風(fēng)險，提高輸電系統(tǒng)的載流能力?！案邔?dǎo)熱材料復(fù)配-功能外加劑調(diào)控-骨料結(jié)構(gòu)設(shè)計”三位一體策略，破解了高導(dǎo)熱混凝土流動性差、強度衰減的技術(shù)瓶頸，為電力、建筑等領(lǐng)域提供了兼具高效散熱與施工便利的新型材料解決方案。具體的，本技術(shù)方案制成的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)高，相比傳統(tǒng)混凝土提升100%以上。超細(xì)石墨粉填充水泥漿體微孔，降低孔隙熱阻；石墨顆粒形成宏觀導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，與碳納米管協(xié)同構(gòu)建多級導(dǎo)熱路徑；高導(dǎo)熱骨料的超細(xì)石英砂提供穩(wěn)定導(dǎo)熱基底，鋼渣導(dǎo)熱系數(shù)高于硅酸鹽，強化骨料導(dǎo)熱能力；碳納米管的管狀結(jié)構(gòu)橋接界面，減少熱傳導(dǎo)路徑中的“斷點”，并增強骨料-水泥界面結(jié)合力，抑制微裂紋擴(kuò)展；級配控制的石英砂與石墨顆粒符合gb/t14684-2022級配標(biāo)準(zhǔn)，減少顆粒間摩擦阻力，同時通過功能外加劑抑制超細(xì)石墨團(tuán)聚，避免流動性損失，使坍落度≥220mm。石墨的疏水性與鋼渣親水性可能引發(fā)界面沖突，但通過功能外加劑包覆石墨表面實現(xiàn)穩(wěn)定分散；高導(dǎo)熱骨料預(yù)制時，碳納米管與超細(xì)石英砂通過機(jī)械造粒強制分散，避免后續(xù)混凝土中團(tuán)聚。

6、作為優(yōu)選技術(shù)手段：所述高鐵相硅酸鹽水泥的鐵鋁酸四鈣含量≥15%，鋼渣比表面積≥450m2/kg，超細(xì)石墨粉粒徑d50≤3μm。

7、高鐵鋁酸四鈣的早期強度高，鐵鋁酸四鈣水化速率快，促進(jìn)混凝土早期強度發(fā)展，鐵鋁酸四鈣生成的水化產(chǎn)物致密，降低氯離子滲透率，提升地下電力管道的耐久性。含鐵礦物導(dǎo)熱系數(shù)高于普通硅酸鹽相，增強水泥基體導(dǎo)熱性。超細(xì)石墨粉填充水泥漿體微孔，減少孔隙熱阻，與石墨顆粒形成“微-納”雙尺度導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。鐵相水泥協(xié)同提升密實度，補償石墨粉對強度的負(fù)面影響。超細(xì)石墨粉優(yōu)化導(dǎo)熱性，而高流動性確保電纜管道澆筑密實，避免人工振搗不足導(dǎo)致的空洞熱阻。實現(xiàn)高導(dǎo)熱性與高流動性的協(xié)同突破；強度、耐久性與環(huán)保性的全面優(yōu)化。

8、作為優(yōu)選技術(shù)手段：所述超細(xì)石英砂含量≥90%，比表面積≥350m2/kg;磨細(xì)石灰cao含量≥70%，比表面≥350m2/kg；碳納米管為直徑為30～50nm，長度為10～50μm。

9、石英晶體導(dǎo)熱系數(shù)高于水泥基體，高純度石英砂減少雜質(zhì)對導(dǎo)熱路徑的阻斷，強化骨料導(dǎo)熱性能?；瘜W(xué)穩(wěn)定性高，避免與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生有害反應(yīng)，保障長期耐久性。超細(xì)顆粒填充骨料間孔隙，減少界面過渡區(qū)缺陷，有利于密實度提升，導(dǎo)熱系數(shù)增加。磨細(xì)石灰提供充足堿性環(huán)境，激活鋼渣中硅鋁質(zhì)成分（如）的火山灰反應(yīng)，生成c-s-h凝膠，提升骨料-水泥界面結(jié)合強度。與碳納米管表面羥基（–oh）結(jié)合，增強納米管在骨料中的分散穩(wěn)定性。細(xì)顆粒石灰快速參與碳化反應(yīng)（），早期微結(jié)構(gòu)致密化，減少收縮裂縫風(fēng)險。與超細(xì)石英砂形成“石灰-石英”復(fù)合膠結(jié)相，骨料抗壓強度高。碳納米管在骨料中形成三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，橋接石英砂與鋼渣顆粒，降低界面熱阻，導(dǎo)熱系數(shù)提升；碳管表面與水泥水化產(chǎn)物（如c-s-h）鍵合，抑制微裂紋擴(kuò)展，骨料韌性提高。僅需少量即可構(gòu)建導(dǎo)熱/增強網(wǎng)絡(luò)，避免過量納米材料導(dǎo)致的團(tuán)聚和成本激增。導(dǎo)熱路徑優(yōu)化：石英砂（宏觀導(dǎo)熱）→碳納米管（納米級橋接）→鋼渣/石灰（界面增強），形成多級導(dǎo)熱體系，整體導(dǎo)熱系數(shù)高。超細(xì)石英砂與石灰的高比表面積通過造粒工藝形成穩(wěn)定骨料結(jié)構(gòu)，避免施工離析。石英砂（高純度但非稀缺資源）與石灰（低品位石灰石優(yōu)化利用）降低成本，骨料原料成本較傳統(tǒng)高導(dǎo)熱骨料低。

10、作為優(yōu)選技術(shù)手段：功能外加劑包含固含量9～11%的聚羧酸減水劑，并添加減水劑總質(zhì)量0.1～0.5%的消泡劑和0.01～0.05%的纖維素醚增稠劑。減水劑降低水灰比，強度提升；消泡劑減少孔隙，密實度增強；增稠劑防止離析，勻質(zhì)性保障。

11、本發(fā)明的另一個技術(shù)方案為：一種高流動性高導(dǎo)熱混凝土的制備方法，制備方法包括以下步驟：

12、a.制備高導(dǎo)熱骨料：

13、按比例混合超細(xì)石英砂、鋼渣、磨細(xì)石灰及碳納米管，加水造粒至粒徑5～21mm；

14、在75～85℃下蒸汽養(yǎng)護(hù)5～7小時，隨后于180～200℃蒸壓8～12小時；

15、b.混凝土配制：

16、將各組分按質(zhì)量份數(shù)混合，以20～28r/min攪拌5～10分鐘，得到漿料；

17、澆筑后靜置設(shè)定時間后脫模，得到混凝土。

18、蒸汽養(yǎng)護(hù)：激活鋼渣中游離cao的水化反應(yīng)，生成c-s-h凝膠初步粘結(jié)骨料顆粒，避免碳納米管團(tuán)聚；蒸壓：高壓高溫下，碳納米管與石灰反應(yīng)生成碳鋁酸鹽（），在骨料內(nèi)部形成“石英骨架-碳納米管網(wǎng)絡(luò)-膠凝相”三重導(dǎo)熱路徑，使骨料導(dǎo)熱系數(shù)提升。

19、低速攪拌，控制剪切力避免石墨顆粒破碎及碳納米管斷裂，同時確保高導(dǎo)熱骨料均勻分散，漿體離析率降低。蒸壓工藝采用180～200℃，蒸壓階段排放較燒結(jié)骨料工藝減少，且碳納米管-石灰反應(yīng)可固化部分。

20、作為優(yōu)選技術(shù)手段：所述石墨顆粒的粒徑范圍為0.5～5mm，且與石英砂形成連續(xù)級配。

21、墨顆粒（0.5～5mm）與石英砂的連續(xù)級配，實現(xiàn)密實度最大化，導(dǎo)熱系數(shù)提升；強度-流動性-抗裂性的協(xié)同優(yōu)化；全尺度導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)（納米-微米-毫米級）的高效構(gòu)建。

22、作為優(yōu)選技術(shù)手段：所述蒸汽養(yǎng)護(hù)階段濕度≥90%，蒸壓階段壓力為1.0～1.5mpa。

23、濕度≥90%防止水分過早蒸發(fā)，確保鋼渣、磨細(xì)石灰與水泥的火山灰反應(yīng)完全，生成致密c-s-h凝膠；減少干燥收縮應(yīng)力，界面過渡區(qū)裂縫率降低，抗?jié)B性提升。高濕度環(huán)境下，碳納米管表面羥基（–oh）與水分子的氫鍵作用增強，避免造粒過程中團(tuán)聚；1.0～1.5mpa壓力壓縮骨料內(nèi)部孔隙，導(dǎo)熱系數(shù)提升。高壓驅(qū)動碳納米管沿?zé)崃鞣较蚨ㄏ蚺挪?，形成低熱阻?dǎo)熱通道。

24、作為優(yōu)選技術(shù)手段：在制備高導(dǎo)熱骨料時，先在80℃下蒸汽養(yǎng)護(hù)6小時，再蒸壓制得高導(dǎo)熱骨料。在80℃下蒸汽養(yǎng)護(hù)6小時制成的高導(dǎo)熱骨料，兼顧其微觀結(jié)構(gòu)、性能穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率。

25、有益效果：

26、1.本發(fā)明所制備一種高流動性高導(dǎo)熱混凝土的可以解決傳統(tǒng)包封材料熱導(dǎo)率低、傳熱能力的關(guān)鍵問題，極大豐富能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)新材料，并為后續(xù)電網(wǎng)工程建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

27、2.本發(fā)明所制備的一種高流動性高導(dǎo)熱混凝土導(dǎo)熱系數(shù)相比于普通混凝土可提高100%以上，這是因為高導(dǎo)熱材料以及高導(dǎo)熱骨料的添加，提高了混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，其次，在功能外加劑調(diào)控流動性的作用下，高導(dǎo)熱材料及骨料可以更加均勻地分散在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。