低掺量纳米石墨烯片的水泥基复合材料性能分析

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2、敏度高、与混凝土结构相容性好等特点，在混凝土结构的健康监测、寿命评估和耐久性评价方面具有广阔的应用前景[1].目前，国内外在压敏水泥基材料中主要掺入短切碳纤维、碳纳米管、石墨等，许多学者从材料的组成、制备工艺和测试方法等角度对水泥基材料的压敏性进行了深入系统的研究[2-4].石墨烯应用于水泥基复合材料最近才出现。石墨烯是sp2杂化的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳材料，这是目前世界上最薄的即单原子厚度的材料（厚度仅有0.335nm），是构成石墨（三维）、碳纳米管（一维）和富勒烯（零维）等材料的基本单元[5].吕生华等采用Hummer

3、s方法制得氧化石墨烯（GO）,GO在其石墨烯片层上接枝有大量-COOH、-OH等亲水性官能团，使之能分散在水中并与水泥水化产物粘结良好。他们发现GO能够调控水泥水化反应，对水泥水化物形成有模板作用和组装作用，促使其形成规整的花朵状晶体，该晶体容易产生在复合材料的孔隙处，并能形成相互穿透相互交联的三维立体结构，从而可以显着提高水泥基材料的拉伸强度和抗折强度，并且能改善水泥基复合材料的韧性和抗裂缝能力[6-9].Babak等的研究也表明，含质量分数1.5%的GO的水泥砂浆拉伸强度提高了48%[10].　　Singh等研究了掺GO和磁流体水泥基复合

4、材料的电磁屏蔽特性，表明氧化石墨烯和磁流体提高了磁损耗，材料的屏蔽效能达到46dB（即引起电磁波能量衰减99%以上）[11].但是，上述研究中GO均为实验室少量配制，市售GO价格昂贵，导电性差[12].目前，石墨烯类产品中批量工业化生产的主要是含多层石墨烯的纳米石墨烯片（GnPs）.GnPs的物理性能要低于石墨烯，但其硬度和电导率要远高于石墨，而且是一种低成本的纳米材料[13].　　Peyvandi等的研究表明，将表面改性GnPs掺入混凝土中，可以提高混凝土的耐酸性，降低混凝土的吸水率，这与GnPs之间较小的间距和高比表面积有关[14].　　

5、Sedaghat等认为GnPs可提高水泥基材料的导电性和热扩散率，有利于降低水化热引起的温升[15].Du等的研究表明GnPs在较高掺量（体积掺量为1.2%~4.8%）下的水泥砂浆复合材料具有较好的压敏性[16].　　GnPs的比表面积要远大于碳纤维，将增加导电填料与水泥水化产物间的接触面积，在水泥基导电和压敏复合材料发挥作用。而正如上文的综述所述，国内外相关的研究较少。由于GnPs在掺量较高时，难以在水泥基体中均匀分散，以及考虑成本的因素，本文主要通过实验研究含低掺量GnPs（最大体积掺量为0.15%）的水泥基复合材料的力学性能、电学性能和

6、压敏性。　　2实验　　2.1原材料　　水泥，P·O42.5湖北华新水泥；粉煤灰，湖北汉川火电厂的I级粉煤灰，粉煤灰经过45μm筛筛余低于12%;石英砂，湖北双鑫矿粉公司，最大颗粒尺寸低于300μm,其中70%的砂粒为100~300μm.纳米石墨烯片，xGnP@为XGSciences生产，其中，碳含量>99.5%,平均颗粒直径25μm（平行表面方向），厚度6~8nm（垂直表面方向），比表面积120~150m2/g,形貌如图1所示，其电导率为107S/m（平行表面方向）和102S/m（垂直表面方向），密度为2g/cm3;减水剂（SP）采用格雷斯有

7、限公司生产的AVDA@152.　　2.2试样制备　　m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（水）∶m（SP）=1∶2∶1.35∶0.93∶[键入文字][键入文字][键入文字]精选公文范文管理资料0.012,GnPs体积掺量分别为0%（A1）、0.05%（A2）、0.1%（A3）和0.15%（A4）.制备过程如下：将80%的水和50%的SP混合（SP为表面活性剂，有利于GnPs在水中分散），再加入GnPs,用超声波振动仪分散2h.再将水泥、粉煤灰、石英砂干拌3min,将分散好的GnPs溶液加入慢速搅拌1min,再加入剩下的水和减水剂，慢速搅拌3

8、min.待配合料搅拌均匀后，置入金属模具中，振实2min,24h后脱模，浸水养护。抗压强度测试采用40mm立方体试样，电阻率和压敏性测试采用40×40×160棱柱体