陳 明 方軼文 潘 倩

(江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

水泥基材料是我國(guó)最普遍的重要工程材料之一，它能與許多材料摻合從而達(dá)到更好的使用效果。目前，水泥基復(fù)合材料發(fā)展的趨勢(shì)是高性能和高耐久性[1-3]。在已經(jīng)被我們熟知的水泥基材料性能里，其導(dǎo)電性一直備受人們關(guān)心。傳統(tǒng)水泥基材料的電阻率很高，在干燥狀態(tài)下，幾乎為絕緣體，這在很大程度上限制了水泥基材料的應(yīng)用范圍。我們通常能想到的就是將混凝土與其他材料相結(jié)合，以期改善其導(dǎo)電性能。而通常被用來(lái)?yè)饺牖炷林械膶?dǎo)電組分主要分為金屬系和碳系兩類(lèi)。金屬系的導(dǎo)電組分具有電阻率高的特點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也很突出，金屬材料在混凝土堿性環(huán)境中容易鈍化，耐久性不是很好。碳系主要是石墨，碳納米管等。納米材料中，石墨烯作為新型的優(yōu)良導(dǎo)電體，是目前被發(fā)現(xiàn)的世界上電阻率最小的材料。這讓它與混凝土的結(jié)合很受期待。

本文主要通過(guò)二電極法，測(cè)量摻量為2%的石墨烯在不同齡期對(duì)水泥砂漿電阻率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及試劑

石墨烯顆粒(GNPs)、聚羧酸減水劑(PC)、普通硅酸鹽水泥、銅網(wǎng)(8目)、標(biāo)準(zhǔn)砂。

1.2 水泥砂漿的制備

首先稱取一定量的石墨烯加入高效減水劑與水混合后，利用磁力攪拌20 min后，超聲分散40 min制得石墨烯的水性分散液。然后，將石墨烯的水性分散液與水泥在水泥攪拌機(jī)的鍋中進(jìn)行攪拌，混合后將水泥漿體裝入預(yù)置好銅絲電極的三聯(lián)模中，最后將三聯(lián)模置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)(養(yǎng)護(hù)條件：溫度(20±1)℃，濕度：90%)。

根據(jù)JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程，按照水泥膠砂攪拌方法成型水泥膠砂試件，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，試件各成分配比如表1所示。將制備好的兩種石墨烯摻量的試件分別在養(yǎng)護(hù)到3 d,7 d,14 d齡期(每種摻量石墨烯水泥砂漿試件各制備3個(gè)，分別在對(duì)應(yīng)3個(gè)齡期取出測(cè)試，取出后不再二次使用)后，進(jìn)行導(dǎo)電試驗(yàn)。

表1 水泥砂漿配合比

1.3 檢測(cè)方法

GNPs導(dǎo)電水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電性能通過(guò)測(cè)量試件的電阻率來(lái)評(píng)價(jià)。本實(shí)驗(yàn)采用二電極法測(cè)量各組GNPs導(dǎo)電水泥基復(fù)合材料試件的電阻值，如圖1電極1，2串聯(lián)萬(wàn)用表。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將萬(wàn)用表調(diào)至歐姆檔，串聯(lián)萬(wàn)用表與兩電極，可從表上讀出電阻R值，再利用式(1)計(jì)算電阻率ρ。

ρ=RS/L

(1)

其中，R為電阻值；S為試件的橫截面積；L為兩極之間的距離，100 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯水泥砂漿導(dǎo)電性能

利用上述測(cè)試方法和公式，可以測(cè)得不同摻量的石墨烯及不同齡期條件下石墨烯水泥砂漿的電阻率，如圖2所示，摻量為0%，2.0%的石墨烯水泥砂漿，在3 d，7 d，14 d齡期時(shí)的電阻率變化折線圖，通過(guò)比較同一齡期不同摻量電阻率的變化、同一摻量不同齡期電阻率的變化，以便評(píng)價(jià)添加石墨烯顆粒對(duì)于水泥砂漿電阻率的影響。

2.2 石墨烯顆粒對(duì)于水泥砂漿導(dǎo)電性能影響的分析

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和石墨烯水泥砂漿電阻率折線圖可得：

1)當(dāng)石墨烯摻量不變時(shí)，摻量0%和摻量2.0%的試件電阻率隨齡期變化表現(xiàn)為：摻量0%的試件電阻率在3 d～14 d呈上升趨勢(shì)，而摻量2.0%的試件電阻率在3 d～7 d有所下降，7 d～14 d呈上升趨勢(shì)。摻量為0%的試件在3個(gè)齡期之間電阻率上升的比例依次為：45.93%,15.28%；摻量為2.0%的試件在3個(gè)齡期之間電阻率上升的比例依次為：-11.86%,432.69%。摻加2.0%的石墨烯試件的導(dǎo)電率在3 d～14 d先降后升，究其原因，可能是水化初期不穩(wěn)定的原因?qū)е碌摹?/p>

2)對(duì)比相同齡期不同摻量的試件可知：摻量為2.0%的試件相比于摻量0%試件，在3 d，7 d，14 d電阻率依次下降：76.95%，82.72%，20.17%?？梢?jiàn)，摻量為2.0%的試件相比于不添加石墨烯的試件電阻率有較大的下降?？傮w來(lái)看，添加摻量為2.0%的石墨烯對(duì)于降低水泥砂漿導(dǎo)電率有較大影響，這也符合石墨烯導(dǎo)電性能優(yōu)良的特性。

3 結(jié)語(yǔ)

1)相比于石墨烯摻量為0%的石墨烯水泥砂漿，摻量為2.0%的石墨烯水泥砂漿電阻率有較大下降，尤其在水化初期(3 d,7 d)石墨烯對(duì)提升水泥砂漿導(dǎo)電性能影響顯著，石墨烯的優(yōu)良導(dǎo)電性可以用于改善水泥砂漿導(dǎo)電性能不佳的情況。

2)水泥砂漿導(dǎo)電即可傳輸電信號(hào)，可能應(yīng)用于以后一些智能傳感元件。本實(shí)驗(yàn)齡期只進(jìn)行3 d,7 d,14 d的研究，而其他齡期條件下的電阻率需要日后的探索與研究。