再生石墨增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能研究

孟 琳

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，陜西西安 710018）

水泥基復(fù)合材料是指以水泥發(fā)生水化反應(yīng)，硬化后形成的硬化水泥漿體作為基體與其他材料組合得到具有新功能的材料，是土木工程領(lǐng)域使用最廣泛的結(jié)構(gòu)工程材料[1]。水泥基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度低、抗沖擊韌性差、脆性高，在工程應(yīng)用中容易產(chǎn)生裂紋，限制了其在工程中更廣泛的應(yīng)用[2]。為了改善水泥基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)缺陷，通常采用摻入其他材料或者化合物的方法進(jìn)行縫隙填充，減少其結(jié)構(gòu)缺陷，增強(qiáng)其性能。例如，為了增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的韌性、抗沖擊性、耐疲勞等特性，張聰?shù)壤美w維的韌性來(lái)改善水泥基復(fù)合材料的韌性，設(shè)計(jì)了一種由鋼纖維等構(gòu)成的多尺度纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[3]；為了改善水泥基復(fù)合材料的電學(xué)性能，黎恒桿等將多壁碳納米管摻入到水泥基復(fù)合材料中，增強(qiáng)了水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)電效果[4]。為了改善水泥基復(fù)合材料的電學(xué)性能和力學(xué)性能，花蕾等通過(guò)改進(jìn)的Hummer’s 法制備了氧化石墨烯，并將其摻入水泥基復(fù)合材料中，達(dá)到了增強(qiáng)其力學(xué)性能和電學(xué)性能的效果[5]。為了適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的性能，同時(shí)又降低其改性成本一直是人們關(guān)注的一個(gè)重大問(wèn)題。

石墨在常溫條件下性質(zhì)比較穩(wěn)定，且具有良好的導(dǎo)電性能，將使用過(guò)的石墨再破碎攪拌使用，就是再生石墨。再生石墨的制作成本低，制備工藝簡(jiǎn)單。因此，在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步降低成本，同時(shí)改善水泥基復(fù)合材料的性能，本文利用再生石墨的特性在水泥砂漿中摻入再生石墨，制備了再生石墨- 水泥基復(fù)合材料，并對(duì)其力學(xué)性能和電學(xué)性能進(jìn)行研究，為制備良好性能的水泥基復(fù)合材料提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料以及配方設(shè)計(jì)

再生石墨：將使用過(guò)的石墨破碎，然后經(jīng)粉碎機(jī)粉碎，篩分得到再生石墨粉；普通硅酸鹽水泥；普通中砂。

為了研究不同再生石墨摻入量對(duì)水泥基復(fù)合材料性能的影響，設(shè)計(jì)并制備了不同再生石墨摻入量的再生石墨- 水泥基復(fù)合材料。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確，除了再生石墨的摻入量以外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持水灰比即水與水泥+ 石墨的質(zhì)量比不變。本文中共設(shè)計(jì)了6 種比例的再生石墨- 水泥基復(fù)合材料，再生石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、2%、4%、6%、8%、10%。其中含量為0% 的水泥基復(fù)合材料作為空白樣，做對(duì)照試驗(yàn)。

1.2 樣品的制備

再生石墨水性分散液的制備：稱取一定量的再生石墨粉，加入水中，利用磁力攪拌器攪拌15min，將攪拌后的懸濁液置于超聲納米材料分散儀中超聲分散45min，制得再生石墨水性分散液。

再生石墨- 水泥基復(fù)合材料的制備: 將一定比例的普通硅酸鹽水泥和普通中砂分別倒入攪拌鍋中，先在攪拌鍋中將上述混合物攪拌較為均勻后，再開啟攪拌機(jī)。先低速將混合物攪拌均勻，然后將上述制備的再生石墨水性分散液倒入低速攪拌的混合物中，再低速攪拌5min后，開啟高速攪拌模式攪拌5min，使再生石墨粉與水泥砂漿充分混合均勻。將充分混合的水泥漿體倒入三聯(lián)模中，置于膠砂試件成型振實(shí)臺(tái)上振動(dòng)夯實(shí)，同時(shí)排出多余的氣泡。將三聯(lián)模置于溫度(20±2)℃、濕度90% 的蒸汽養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，5 天之后脫模編號(hào)，放入標(biāo)準(zhǔn)的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 天。

1.3 性能測(cè)試

力學(xué)性能的測(cè)試：將經(jīng)上述方法制備并養(yǎng)護(hù)好的試件取出，參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》，采用50N/s 和2.4kN/s 的加荷速度分別測(cè)定試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，每組取3 個(gè)試件進(jìn)行測(cè)試并取平均值作為最終的測(cè)試結(jié)果。

電學(xué)性能的測(cè)試：電學(xué)性能測(cè)試樣品如圖1 所示，其制作方法同1.2 節(jié)中的制作方法，當(dāng)再生石墨粉- 水泥基復(fù)合材料的三聯(lián)模成型后，在試件上插入銅絲網(wǎng)，試件養(yǎng)護(hù)5 天后取出，置于50℃的烘箱中24h 烘干備用。本研究中采用四電極法測(cè)試試件的電阻率，電路的連接方法如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)中采用萬(wàn)用表和可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)電源的電壓從而在電壓表和電流表中得到不同的電壓值U和電流值I，再以U為縱坐標(biāo)，I為橫坐標(biāo)，線性擬合得到電阻R，利用公式R=U/I和ρ=R·S/L即可計(jì)算得出試件的電阻率，其中,R為電阻值，S為試件的橫截面積，L為內(nèi)電極之間的距離，ρ為電阻率。

圖1 再生石墨-水泥基復(fù)合材料的實(shí)物圖Fig. 2 Physical drawing of recycled graphite cement based composite

圖2 電路的連接方法Fig. 2 Circuit connection method

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

圖3 和圖4 分別是不同再生石墨摻入量的水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度曲線和抗壓強(qiáng)度曲線。

圖3 不同再生石墨摻入量的水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度曲線Fig. 3 Flexural strength curves of cement-based composites with different contents of recycled graphite

從圖3 中可以看出，在再生石墨粉摻入量為2%時(shí)，水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度最高，達(dá)到8.8MPa，相對(duì)于沒(méi)有再生石墨粉摻雜的水泥基復(fù)合材料（空白樣）抗折強(qiáng)度提高了7%。從折線圖的趨勢(shì)上看，再生石墨粉摻入量較低的情況下，水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度隨著再生石墨粉摻入量的增高逐漸增強(qiáng)并達(dá)到最高值，當(dāng)再生石墨粉的摻入量超過(guò)一定范圍后，水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度隨著再生石墨粉摻入量的增加逐漸降低。由此可以得出結(jié)論，在水泥基復(fù)合材料中適當(dāng)?shù)負(fù)饺朐偕梢栽鰪?qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度。

圖4 不同再生石墨摻入量的水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度曲線Fig. 4 Compressive strength curves of cement-based composites with different contents of recycled graphite

從圖4 中可以看出，在再生石墨粉摻入量為2%時(shí)，再生石墨- 水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到61.7MPa，相對(duì)于空白樣的抗壓強(qiáng)度58.9MPa 提高了4.7%。從折線圖的趨勢(shì)上看，再生石墨粉摻入量較低的情況下，水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度隨著再生石墨粉的摻入量的增高逐漸增強(qiáng)并達(dá)到最高，再生石墨粉摻入量超過(guò)一定范圍后，水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度隨著再生石墨粉摻入量的增加逐漸降低。由此可以得出結(jié)論，在水泥基復(fù)合材料中適當(dāng)?shù)負(fù)饺朐偕梢栽鰪?qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度。

綜上所述，在再生石墨摻入量較低的范圍內(nèi)，水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能逐漸增強(qiáng)，在再生石墨摻入量達(dá)到一定量時(shí)，其力學(xué)性能達(dá)到最好的狀態(tài)，然后隨著石墨摻入量的增加，其力學(xué)性能逐漸變差。

2.2 電學(xué)性能

圖5 為再生石墨- 水泥基復(fù)合材料的電阻率隨再生石墨粉摻入量的變化趨勢(shì)圖。

圖5 不同再生石墨摻入量的水泥基復(fù)合材料的電阻率曲線Fig. 5 Resistivity curves of cement-based composites with different contents of recycled graphite

由圖5 可以看出，當(dāng)再生石墨的摻入量為0% 時(shí)，水泥基復(fù)合材料的電阻率為62.35Ω·m，隨著再生石墨摻入量的增加，水泥基復(fù)合材料的電阻率呈逐漸下降的趨勢(shì)，當(dāng)再生石墨的摻入量達(dá)到6% 時(shí)，水泥基復(fù)合材料的電阻率下降趨勢(shì)逐漸減緩，基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可以得出結(jié)論，隨著再生石墨摻入量的增加，水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電性越來(lái)越好，而當(dāng)再生石墨摻入量超過(guò)一定范圍后，水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電性變化趨勢(shì)逐漸減小，基本趨于穩(wěn)定，導(dǎo)電狀態(tài)達(dá)到最佳。

3 結(jié)論

水泥基復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)工程中使用最廣泛的材料，其力學(xué)性能和電學(xué)性能的優(yōu)化有利于擴(kuò)大水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，增強(qiáng)其環(huán)境適應(yīng)性。再生石墨以使用過(guò)的石墨為原材料，其制備方式簡(jiǎn)單、成本低。本文實(shí)驗(yàn)研究證明，在水泥基復(fù)合材料中摻入適當(dāng)?shù)脑偕梢栽鰪?qiáng)其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，即可以增強(qiáng)其力學(xué)性能。且隨著再生石墨摻入量的增加，水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電性也逐漸增強(qiáng)，即可以增強(qiáng)其電學(xué)性能。因此可以得出結(jié)論，在水泥基復(fù)合材料中摻入再生石墨，在成本較低的基礎(chǔ)上，還增強(qiáng)了其電學(xué)性能和力學(xué)性能。