石墨泡沫混凝土的吸波性能研究

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贾兴文等：石墨泡沫混凝土的吸波性能研究石墨泡沫混凝土的吸波性能研究贾兴文，张亚杰，钱觉时，汪宏涛。(1．重庆大学材料科学与工程学院，重庆400045；2．后勤工程学院化学与材料工程系，重庆400016)摘要：多功能化和低成本有利于建筑吸波材料的说明，建筑吸波材料应具有多功能、易施工和低成本的应用。在频率8～18GHz范围内，采用弓形反射法测特性。本文利用导电石墨作吸波剂，将石墨掺加到泡试了掺加石墨的水泥基泡沫混凝土的吸波性能，研究沫混凝土中，使泡沫混凝土兼具吸波和保温功能，并可了石墨掺量、发泡剂用量和试件厚度对石墨泡沫混凝以采用泵送工艺施工，便于在建筑工程中应用。土吸波性能的影响。结果表明，掺加石墨后，泡沫混凝2实验土吸波性能逐渐增强，石墨泡沫混凝土吸波材料中石墨的逾渗阂值为水泥质量的15；随着发泡剂用量增2．1原材料加，石墨泡沫混凝土反射率逐渐降低。厚度为30mm重庆拉法基P．O42．5R普通硅酸盐水泥，高稳泡时，泡沫混凝土吸波性能最佳，当石墨掺量和发泡剂用性植物蛋白发泡剂，可再分散性乳胶粉(EVA)，羟丙量分别为水泥质量的l5和2．5时，反射率降低至基甲基纤维素(HPMC)与聚丙烯纤维均为市售；鳞片一l5．64dB，<一10．0dB的带宽可达3．0GHz，导热系高碳石墨，含碳量>98，含水率95的标准养护室养护至28d龄期，然后在(105±5)。C烘箱内烘至恒重后测试吸波性能；成型1引言100mm×100mm×100mm试件用于测试力学性能。2．3测试方法通信电缆和基站、高压输电站和输电线以及广播吸波性能根据《雷达吸波材料反射率测试方法》电视发射台等通信和电气设备的电磁辐射会产生不同(GJB2038—1994)规定，采用弓形反射法测试，测试仪器程度的电磁污染，可能影响到周围居民的身体健康。为安捷伦HP8720ET矢量网络分析仪，测试频率8～采用水泥基复合吸波材料是解决民用建筑电磁辐射危18GHz，测试结果取3个试件的平均值。导热系数参害的有效途径之一，而多功能化和低成本则是建筑吸照《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板波材料应用的关键。法》(GB／T10294～1998)，采用热脉冲非稳态热流法测目前的建筑吸波材料普遍存在成本高、制作工艺定，测试仪器为DRMII型导热系数测定仪。力学性能复杂以及与建筑物协调性差等问题。采用碳纤维、碳实验参照《泡沫混凝土》(JG／T266—2011)。化硅纤维、铁氧体等做吸波剂成本高，且制作工艺复3实验结果与讨论杂[】。石墨、炭黑、碳化硅微粉做吸波剂时，与水泥基材料相容性较差_6一。利用钢纤维和金属微粉做吸波3．1石墨泡沫混凝土的物理和力学性能剂则存在吸波性能较差和耐候性差等问题j。利用铁石墨泡沫混凝土的配合比、基本物理性能和力学氧化物含量较高的磁选粉煤灰或钢渣制备水泥基吸波性能见表l。表1中石墨、EVA、HPMC、聚丙烯纤维材料可以有效降低吸波材料成本，但吸波性能较差且和发泡剂均为外掺，掺加比例为上述原材料与水泥的材料自重较大_g。碳黑EPS填充水泥复合吸波材质量比。水灰比为0．6～0．7，用水量随石墨掺量增加料，当板材厚度为20～30ram时反射率为一1O逐渐增大，使石墨泡沫混凝土获得良好流动性，且有利～一I9dB⋯]，但EPS砂浆施工性能较差。上述问题于石墨分散。*基金项目：国家自然科学基金资助项目(510O2193)收到初稿日期：2012—03—15收到修改稿日期：2012—05—09通讯作者：贾兴文作者简介：贾兴文(1976一)，男，宁夏银川人，讲师，博士，主要从事智能建筑材料和固体废弃物资源化研究。 助锨材料2012年第17期(43)卷表1石墨泡沫混凝土物理和力学性能TablelPhysicalandmechanicalpropertiesofgraphitefoamconcrete编号水石墨EVAHPM(：发泡剂干密度抗压强度导热系数泥聚丙烯纤维()()()()(kg／m)(MPa)(W／(m·K))()101O．30．22．0348．6】．000．076l15l0．3O．22．0370．00．900．0802l1O1O．30．22．0389．80．900．0803l15]0．30．22．0416．3O．9O0．086412O1O．30．22．0424．5O．850．095512510．30．22．0454．5O．800．12061151O．30．21．()568．51．600．15071l5l0．30．21．5187．41．000．1008ll51O．30．22．5378．6O．700．0839l1510．30．23．O354．5O．6O0．075根据表1，当发泡剂用量为2时，随着石墨掺量20和25时，8～18GHz频段内泡沫混凝土的最低反增加，泡沫混凝土导热系数增大，抗压强度降低；当石射率(吸波峰值)分别为～4．72dB(】6．8GHz)、一6．62dB墨掺量为15时，随着发泡剂用量的增加．泡沫混凝土(14．6GHz)、一7．10dB(13．8GHz)、一14．04dB(11．8GHz)、的导热系数和抗压强度均逐渐降低。石墨具有良好的一13．26dB(10．2GHz)和一12．64dB(9．0GHZ)。当石导热性，因此随着石墨掺量增加，泡沫混凝土的导热系墨掺量为0时，泡沫混凝土在高频段也具有一定的吸数逐渐增大。石墨掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响波性能，但吸收率较低，且频宽很小；随着石墨掺量增相对较小，而发泡剂用量对泡沫混凝土抗压强度的影加，泡沫混凝土的反射率逐渐降低，吸波性能增强，当响更显著，由于泡沫混凝土作保温材料时对力学性能石墨掺量达到15时，泡沫混凝士的反射率最低，吸波要求较低，可以弱化石墨对水泥基材料力学性能的不性能最强；石墨掺量超过15％后，泡沫混凝土的吸波性利影响。能有所降低，说明石墨在泡沫混凝土中的逾渗阈值为3．2石墨掺量对吸波性能的影响15。随着石墨掺量的增加，泡沫混凝土的吸波峰值石墨具有高导电性，是一种电阻型吸波剂，具有较逐渐向低频方向移动，频宽也逐渐增加，当石墨掺量为高的介电损耗角正切，依靠介质的电子极化或界面极15时，<一6dB的带宽为3．2GHz，<一10dB的带宽化衰减来吸收电磁波¨。按照表1中编号0、l、2、3、为2．2GHz。4、5的配合比成型20ram厚的试件，测试了发泡剂掺泡沫混凝_-卜为多孔轻质材料，其中含有大量封闭量为水泥质量的2、石墨掺量变化时泡沫混凝土的吸和开口微孔．空气的介电常数e近似为1，tanc~一0，因波特性，结果见图1。此含有大量微孔的泡沫混凝土具有良好的透波性，电磁波容易进入泡沫混凝土内部。电磁波进入泡沫混凝土后在微孔和水泥基体之问不断反射而消耗掉，由于∞这些微孔被水泥基体包裹，且泡沫混凝土试件表面相董对较为致密，其表面波阻抗与空间波阻抗匹配性较差，芑．电磁波损耗性能较差，因此当泡沫混凝土中不含石墨。-时吸波性能较差。随着石墨掺量增加，由于导电石墨-的导电性能较好，石墨颗粒在泡沫混凝土内部逐渐形成局部导电网络，在电磁波的作用下，介质内部产生极化，其极化强度矢量落后于电场一个角度，从而产生电∞涡流，使电能转化为热能而消耗掉。同时石墨颗粒粒宣径很小，其分散在泡沫混凝土中后形成了无数个散射言。点，电磁波经过多次散射而消耗能量，从而具有吸收电C。磁波的能力。但是当石墨掺量超过逾渗阈值后，由于-石墨分散性较差，容易团聚形成强反射体，此外，泡沫-?昆凝土的电导率也逐渐升高导致趋肤深度减小，因此Frequency／GHz图l石墨掺量对泡沫混凝土吸波性能的影响吸波性能反而降低。FiglEffectofgraphitedosageontheabsorbingprop3．3发泡剂用量对吸波性能的影响ertiesoffoamconcrete当石墨掺量不变时，随着发泡剂掺量的增加，泡洙根据图1，当石墨掺量分别为0、59／6、10、15、混凝土内微孔的数量显著增加，即孔隙率增大，由于空 2400助锨财抖2012年第17期(43)卷有透波性，掺加石墨后，石墨颗粒分散在泡沫混凝土中el—coatedcarbonfibers[J]．CompositesScienceandTechnology，2010，70(1)：102—109．形成无数个散射点，电磁波经过多次散射而消耗能量，Ea]谢炜，程海峰，楚增勇，等．以中空多孔碳纤维为主体的泡沫混凝土吸收电磁波的能力逐渐增强。当石墨掺量轻质吸波材料吸波性能研究CJ]．无机材料学报，2009，24超过逾渗阈值，即水泥掺量的15后，由于石墨分散性(2)：32O一324．较差形成强反射体，导致泡沫混凝土吸波性能降低。t-43TakashiY，YoshihiroE，KenN，eta1．Microwaveab—sorbingpropertyofstackedpolypyrrole—coatednonwoven(2)石墨掺量不变时，随着发泡剂掺量的增加，textiles[J]．JapaneseJournalofAppliedPhysics，2011，泡沫混凝土的吸波性能逐渐增强，当发泡剂用量为水50(9)：1—6．泥质量的2．5时，泡沫混凝土反射率达到最小值，此[5]ZouTianchun，ZhaoNaiqin，ShiChunsheng，eta1．后随着发泡剂用量增加，泡沫混凝土反射率增大。Microwaveabsorbingpropertiesofactivatedcarbonfibre(3)泡沫混凝土厚度为30ram时吸波性能最佳，polymercomposites[J]．BulletinofMaterialsScience，2011，34(1)：75—79．当厚度超过30mm后，电磁波在泡沫}昆凝土这种多孔[6]邓京兰，冯彬．结构吸波复合材料的吸波性能[J]．材料材料中反射和散射位置逐渐增多，导致泡沫混凝土对科学与工程学报，2OlO，28(2)：161-164．电磁波的衰减量增加，因此当厚度大于一定值时，材FanYuzun，YangHaibin，IiMinghui．eta1．Evaluationofthemicrowaveabsorptionpropertyofflakegraphite料的吸波性能反而下降。[J]．MaterialsChemistryandPhysics，2009，115(2)：(4)发泡剂用量为水泥质量的2．5，石墨掺量696—698．为水泥质量的15时，泡沫混凝土抗压强度[8]戴银所，陆春华，倪亚茹，等．异型钢纤维水泥净浆的吸波为0．7MPa，导热系数为0．083W／(m·K)，30mm厚性能研究[J]．武汉理工大学学报，2009，31(19)：1619．试件的反射率为一15．64dB，同时具有良好保温性能和HuangYubin，QJanJueshi，ZhangJianye．Influenceofhigh—ironflyashonabsorptionpropertyofcementbased吸波性能。materials[J]．JournalofFunctionalMaterials．2009，4O参考文献：(11)：1787一l79O．CaoXiaofei，SunKangning，LengIiang．Studyonthein—戴银所，陆春华，倪亚茹，等．掺钢渣水泥基复合材料的吸fluenceofprecursormixtureratioandcalcinationtempera—波性能EJ]．硅酸盐学报，2009，37(12)：2097—2101．tureoDmicrostructureandmicrowaveabsorptionproper—管洪涛，刘顺华，段玉平，等．掺EPS颗粒水泥浆体的吸tiesoflithiumzincferrites[J]．JournalofFunctionalMa波性能LJ]．建筑材料学报，2006，9(4)：459464．IiBaoyi，DuanYuping，LiuShunhua．Researchontheterials，2008，39(11)：1778—1780．absorbingpropertiesofabsorbingplatesbasedontheRosaIgorMariaDe，AdrianD，FabrizioS，eta1．EffectofshortcarbonfibersandMWCNTsonmicrowaveab—hollow-spherestructureEJ]．JournalofFunctionalMaterials，201l，42(9)：173卜1734．sorbingpropertiesofpolyestercompositescontainingnickMicrowaveabsorbingpropertyofthegraphitefoamconcreteJIAXing—wen，ZHANGYa-jie，QIANJue—shi，WANGHong-tao(1．CollegeofMaterialsScienceandEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China；2．DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering．IogisticalEngineeringUniversityofPLA。Chongqing400016，China)Abstract：Themulti～functionalpropertyandlowercostarethemainfactorswhichdecidetheapplicationpro—spectsofbuildingmicrowaveabsorbingmaterials．At8—18GHz。themicrowaveabsorbingpropertyofthegraphitefoamconcretewastestedbybowreflectionmethod，andtheeffectofgraphitedosage，foamingagentdosageandspecimenthicknessonabsorbingpropertyweretestedatsametime．Theresultsshowedthattheab—sorbingpropertyoffoamconcreteincreasedgraduallywithincreasingofthegraphitecontent，thepercolationthresholdofgraphiteinthegraphitefoamconcretewas15ofcementcontent．Thereflectivityoffoamconcretedecreasedgraduallywithincreasingofthefoamingagentdosage．Theabsorbingpropertyoffoamconcretereachedhigh—pointwhenthespecimenthicknesswas30mm，thereflectivityminimumvalueoffoamconcretewas一15．64dBwhenthegraphitecontentandfoamingagentdosagewere15and2．5ofcementcontent，respectively，andthetotalbandwidthwas3．0GHzwhenthereflectivitywasbelow一10．0dB。atthesametimethermalconductivityoffoamconcreteaslowas0．083w／(m·K)．Graphitefoamconcretehasgoodthermalinsulationandabsorbingperformance，whichcanbeusedtobuildtheroofingandwallbycastconstruction，andthenthetargetofbuildingelectromagneticradiationprotectionandbuildingenergywasachievedatthesametime．Keywords：conductivegraphite；foamconcrete；absorbingproperty；thermalinsulationproperties；dielectriccon—stant