石墨摻雜裝配式結構水泥基復合材料的制備與性能研究

馮玉苗，王 棟

(1.重慶水利電力職業技術學院建筑工程學院，重慶 402160；2.西安理工大學，西安 710048)

0 引 言

隨著近年來中國冶金、建筑、機械等領域的快速發展，石墨及其碳素制品的開發與應用受到了極大關注，并且在各行各業中展現出了較好的應用前景，我國2011～2017年石墨和碳素制品的銷售收入年復合增長率已達20%以上。其中，將石墨摻入水泥基材料中制備石墨摻雜裝配式結構水泥基復合材料在民用建筑、市政工程等領域的裝配式建筑中都體現出了較好的應用前景。其中一個重要的原因就是，水泥基復合材料除了要滿足良好的力學性能外，還需要具有附加功能，如能夠進行有效熱量控制等，這就要求水泥基復合材料具有低的傳熱系數和良好的力學性能[1]。選擇合適的水泥基復合材料填料以及考察填料改性對復合材料綜合性能的影響成了科研工作者急需研究的課題。目前，石墨烯、碳纖維、碳納米管和炭黑等碳系填料由于具有高熱導率和密度小等特點而在水泥基復合材料中均有應用，雖然石墨烯在水泥基復合材料中已體現出較為顯著的抗壓/抗折強度提升作用，但是昂貴的價格同樣限制了其作為水泥添加劑而使用，因此，本文考慮選取石墨粉為原料對水泥基復合材料進行改性，這方面的研究相對較少[2-3]。基于良好力學性能和低傳熱系數水泥基復合材料的概念，將不同含量的石墨摻入水泥砂漿中，并考察攪拌方式對復合材料各項性能指標的影響，結果有助于改善水泥基復合材料的傳熱效率和力學性能。

1 實 驗

以天津何田科技有限公司生產的325目石墨粉(粒徑0.045 mm、密度1.0 g/cm3、固定碳含量99.9%)、唐山市長江水泥廠生產的P·O 42.5水泥(120目)、砂(中砂、細度模數2.6)、水為原料制備了石墨摻雜水泥砂漿，具體配方見表1，其中石墨摻量=石墨/(石墨+水泥+砂)，水灰比=水/(水泥+石墨)。

表1 石墨摻雜水泥砂漿的成分配比Table 1 Composition ratio of graphite-doped cement mortar

根據上述石墨摻雜水泥砂漿的成分配比，按照水泥、石墨和砂的順序加入行星式水泥膠砂攪拌機中進行低速(145 r/min)攪拌2 min后，調檔至高速(250 r/min)攪拌2 min，攪拌均勻后澆筑至40 mm×40 mm×160 mm模具中，依據GBT 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》置于膠砂時間成型振實臺上振動夯實后置于25 ℃、相對濕度60%的室溫環境中保持24 h后脫模，然后轉入恒溫恒濕養護箱中進行7 d、28 d養護，待水分自然蒸干后得到普通攪拌工藝試塊。將石墨、水泥和砂裝入日本PRIMIX型超高速多功能攪拌機中，20 000 r/min轉速攪拌0.5 min后調檔至25 000 r/min攪拌0.5 min，攪拌結束后采用與普通攪拌工藝相同的裝模、振動、脫模和養護步驟，得到超高速攪拌工藝試塊。

采用DYE-300S型水泥膠砂抗壓抗折一體機對工藝試塊進行7 d、28 d抗折強度和抗壓強度進行測試；采用CD-D4141C型導熱系數測定儀對復合材料的導熱系數進行測定；顯微形貌采用日本電子IT300型掃描電鏡進行觀察。

圖1 石墨摻量對石墨摻雜水泥基復合材料7 d 抗折強度的影響Fig.1 Effect of graphite content on 7 d flexural strength of graphite-doped cement-based composites

2 結果與討論

圖1所示為石墨摻量0%～12%時石墨摻雜水泥基復合材料試塊的7 d抗折強度測試結果。對比可知，無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，隨著石墨摻量從0%增加至12%，試塊的7 d抗折強度都呈現逐漸減小的趨勢，但是相對而言，相同石墨摻量的超高速攪拌工藝試塊的7 d抗折強度更小，這可能是因為7 d水泥水化產物較少，普通攪拌工藝下的石墨分散均勻性較差而造成。此時的界面結合區較少而相對缺陷也更少[4]，造成7 d抗折強度反而更高。

圖2 石墨摻量對石墨摻雜水泥基復合材料28 d 抗折強度的影響Fig.2 Effect of graphite content on 28 d flexural strength of graphite-doped cement-based composites

圖2所示為石墨摻量0%～12%時的石墨摻雜水泥基復合材料試塊的28 d抗折強度測試結果。對比可知，無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，隨著石墨摻量從0%增加至12%，試塊的28 d抗折強度都呈現先增加而后減小的特征，在石墨含量為1%時測得抗折強度最大值。在相同的石墨摻量下，超高速攪拌工藝試塊的28 d抗折強度相對普通攪拌工藝試塊更大。這主要是因為28 d條件下石墨摻雜水泥中的水化產物含量增多，界面結合力增強，相較于相同石墨摻量的復合材料7 d條件下的試塊抗折強度更大，但是如果繼續提高石墨摻量，試塊內部的缺陷將會增多而造成抗折強度降低[5]。

圖3所示為石墨摻量0%～12%時石墨摻雜水泥基復合材料試塊7 d抗壓強度測試結果。對比可知，無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，石墨摻量為0%時試塊的抗壓強度相同，而隨著石墨摻量的增加，試塊的7 d抗壓強度都呈現逐漸減小的趨勢，但是相對而言，試塊在石墨摻量為1%時的下降幅度較小，而當石墨摻量增加至3%及以上時，7 d抗壓強度下降幅度較大，在石墨摻量為12%時，兩種試塊的7 d抗壓強度已經降低至16 MPa以下。

圖3 石墨摻量對石墨摻雜水泥基復合材料7 d 抗壓強度的影響
Fig.3 Effect of graphite content on 7 d compressive strength of graphite-doped cement-based composites

圖4 石墨摻量對石墨摻雜水泥基復合材料28 d 抗壓強度的影響
Fig.4 Effect of graphite content on the 28 d compressive strength of graphite-doped cement-based composites

圖4所示為石墨摻量0%～12%時石墨摻雜水泥基復合材料試塊28 d抗壓強度測試結果。對比可知，無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，石墨摻量為0%時試塊的抗壓強度相同，而隨著石墨摻量的增加，試塊的28 d抗壓強度都呈現逐漸減小的趨勢。與7 d抗壓強度-石墨摻量曲線相似的是，試塊在石墨摻量為1%時的下降幅度較小，而當石墨摻量增加至3%及以上時，28 d抗壓強度下降幅度較大，在石墨摻量為12%時，兩種試塊的28 d抗壓強度已經降低至25 MPa以下，但是相同石墨摻量的28 d抗壓強度明顯高于7 d抗壓強度。

圖5 石墨摻量對石墨摻雜水泥基復合材料28 d 導熱系數的影響Fig.5 Effect of graphite content on 28 d thermal conductivity of graphite-doped cement-based composites

圖5所示為石墨摻量0%～12%時石墨摻雜水泥基復合材料試塊28 d導熱系數測試結果。對比可知，無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，石墨摻量為0%時試塊的導熱系數相同，而隨著石墨摻量從0%增加至12%，試塊的28 d導熱系數都呈現逐漸升高的趨勢，在石墨摻量為12%時，試塊的導熱系數都升高至1.2 W/(m·K)以上。在相同的石墨摻量下，超高速攪拌工藝試塊的導熱系數要高于普通攪拌工藝試塊，這主要是因為前者的攪拌速度更快，可以減少攪拌過程中產生導熱填料的同時提高導熱系數[6-7]。此外，隨著石墨摻量的增加，兩種攪拌工藝下試塊的導熱系數增加率明顯不同，當石墨含量從0%增加至1%時，普通攪拌工藝試塊和超高速攪拌工藝試塊的導熱系數增加率分別達到30.0%和37.2%，且隨著石墨摻量的增加，普通攪拌工藝試塊的導熱系數增加率逐漸減小，而超高速攪拌工藝試塊的導熱系數增加率先增加而后減小，在石墨摻量從1%增加至3%時，導熱系數增加率最大，約為46.1%。整體而言，當石墨摻量增加至7%時，繼續增加石墨摻量對導熱系數的影響不大，可以認為石墨摻量為7%時具有最佳的抗折強度、抗壓強度和導熱系數組合。

取石墨摻量分別為1%、5%和9%的石墨摻雜水泥基復合材料粉末，烘干后置于掃描電鏡下觀察，普通攪拌工藝和超高速攪拌工藝試塊的形貌分別如圖6和圖7所示。結合能譜分析結果可知，石墨摻量為1%時，普通攪拌工藝下復合材料中的石墨粒子含量較少，而超高速攪拌工藝下的石墨粒子較多；增加石墨摻量至5%，普通攪拌工藝下復合材料中才出現較多的石墨粒子，但是繼續增加石墨摻量至9%時，石墨在復合材料中已經發生團聚，而石墨摻量為5%和9%的超高速攪拌工藝下復合材料中都可見較多石墨粒子，這也就說明，采用超高速攪拌工藝有助于促進復合材料中石墨粒子的分散[8-9]，從而獲得優異的力學性能和導熱性能。

圖6 普通攪拌工藝的石墨摻雜水泥基復合材料的顯微形貌
Fig.6 Microstructure of graphite-doped cement-based composites by common stirring process

圖7 超高速攪拌工藝的石墨摻雜水泥基復合材料的顯微形貌
Fig.7 Microstructure of graphite-doped cement-based composites by ultra high speed stirring process

3 結 論

(1)無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，隨著石墨摻量從0%增加至12%，試塊的7 d抗折強度都呈現逐漸減小的趨勢，試塊的28 d抗折強度都呈現先增加后減小的特征。

(2)無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，石墨摻量為0%時試塊的抗壓強度相同，而隨著石墨摻量的增加，試塊的7 d和28 d抗壓強度都呈現逐漸減小的趨勢，但是相對而言，試塊在石墨摻量為1%時的下降幅度較小，而當石墨摻量增加至3%及以上時，7 d抗壓強度下降幅度較大。

(3)無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，石墨摻量為0%時試塊的導熱系數相同，而隨著石墨摻量從0%增加至12%，試塊的28 d導熱系數都呈現逐漸升高的趨勢，在石墨摻量為12%時，試塊的導熱系數都升高至1.2 W/(m·K)以上。石墨摻量為7%的石墨摻雜水泥基復合材料具有最佳的抗折強度、抗壓強度和導熱系數組合。