低掺量纳米石墨烯片的水泥基复合材料性能分析
低掺量纳米石墨烯片的水泥基复合材料性能分
析
1引言
压敏水泥基材料具有感知灵敏度高、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 Hummers 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].
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XG Sciences 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 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%
摘要：
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低掺量纳米石墨烯片的水泥基复合材料性能分析1引言压敏水泥基材料具有感知灵敏度高、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...
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作者：闻远设计
分类：土木建筑化工水利
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时间：2023-05-06
