再生石墨增強水泥基復合材料的力學性能和電學性能研究

孟 琳

（陜西交通職業技術學院 建筑與測繪工程學院，陜西西安 710018）

水泥基復合材料是指以水泥發生水化反應，硬化后形成的硬化水泥漿體作為基體與其他材料組合得到具有新功能的材料，是土木工程領域使用最廣泛的結構工程材料[1]。水泥基復合材料的抗拉強度低、抗沖擊韌性差、脆性高，在工程應用中容易產生裂紋，限制了其在工程中更廣泛的應用[2]。為了改善水泥基復合材料的結構缺陷，通常采用摻入其他材料或者化合物的方法進行縫隙填充，減少其結構缺陷，增強其性能。例如，為了增強水泥基復合材料的韌性、抗沖擊性、耐疲勞等特性，張聰等利用纖維的韌性來改善水泥基復合材料的韌性，設計了一種由鋼纖維等構成的多尺度纖維增強水泥基復合材料[3]；為了改善水泥基復合材料的電學性能，黎恒桿等將多壁碳納米管摻入到水泥基復合材料中，增強了水泥基復合材料的抗壓強度和導電效果[4]。為了改善水泥基復合材料的電學性能和力學性能，花蕾等通過改進的Hummer’s 法制備了氧化石墨烯，并將其摻入水泥基復合材料中，達到了增強其力學性能和電學性能的效果[5]。為了適應不同的應用環境，增強水泥基復合材料的性能，同時又降低其改性成本一直是人們關注的一個重大問題。

石墨在常溫條件下性質比較穩定，且具有良好的導電性能，將使用過的石墨再破碎攪拌使用，就是再生石墨。再生石墨的制作成本低，制備工藝簡單。因此，在借鑒前人研究的基礎上，為了進一步降低成本，同時改善水泥基復合材料的性能，本文利用再生石墨的特性在水泥砂漿中摻入再生石墨，制備了再生石墨- 水泥基復合材料，并對其力學性能和電學性能進行研究，為制備良好性能的水泥基復合材料提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料以及配方設計

再生石墨：將使用過的石墨破碎，然后經粉碎機粉碎，篩分得到再生石墨粉；普通硅酸鹽水泥；普通中砂。

為了研究不同再生石墨摻入量對水泥基復合材料性能的影響，設計并制備了不同再生石墨摻入量的再生石墨- 水泥基復合材料。為了保證實驗的準確，除了再生石墨的摻入量以外，在實驗過程中，保持水灰比即水與水泥+ 石墨的質量比不變。本文中共設計了6 種比例的再生石墨- 水泥基復合材料，再生石墨的質量分數分別為0%、2%、4%、6%、8%、10%。其中含量為0% 的水泥基復合材料作為空白樣，做對照試驗。

1.2 樣品的制備

再生石墨水性分散液的制備：稱取一定量的再生石墨粉，加入水中，利用磁力攪拌器攪拌15min，將攪拌后的懸濁液置于超聲納米材料分散儀中超聲分散45min，制得再生石墨水性分散液。

再生石墨- 水泥基復合材料的制備: 將一定比例的普通硅酸鹽水泥和普通中砂分別倒入攪拌鍋中，先在攪拌鍋中將上述混合物攪拌較為均勻后，再開啟攪拌機。先低速將混合物攪拌均勻，然后將上述制備的再生石墨水性分散液倒入低速攪拌的混合物中，再低速攪拌5min后，開啟高速攪拌模式攪拌5min，使再生石墨粉與水泥砂漿充分混合均勻。將充分混合的水泥漿體倒入三聯模中，置于膠砂試件成型振實臺上振動夯實，同時排出多余的氣泡。將三聯模置于溫度(20±2)℃、濕度90% 的蒸汽養護室內，5 天之后脫模編號，放入標準的恒溫恒濕養護箱中養護28 天。

1.3 性能測試

力學性能的測試：將經上述方法制備并養護好的試件取出，參照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》，采用50N/s 和2.4kN/s 的加荷速度分別測定試件的抗折強度和抗壓強度，每組取3 個試件進行測試并取平均值作為最終的測試結果。

電學性能的測試：電學性能測試樣品如圖1 所示，其制作方法同1.2 節中的制作方法，當再生石墨粉- 水泥基復合材料的三聯模成型后，在試件上插入銅絲網，試件養護5 天后取出，置于50℃的烘箱中24h 烘干備用。本研究中采用四電極法測試試件的電阻率，電路的連接方法如圖2 所示，實驗中采用萬用表和可調直流穩壓電源。實驗過程中，通過調節電源的電壓從而在電壓表和電流表中得到不同的電壓值U和電流值I，再以U為縱坐標，I為橫坐標，線性擬合得到電阻R，利用公式R=U/I和ρ=R·S/L即可計算得出試件的電阻率，其中,R為電阻值，S為試件的橫截面積，L為內電極之間的距離，ρ為電阻率。

圖1 再生石墨-水泥基復合材料的實物圖Fig. 2 Physical drawing of recycled graphite cement based composite

圖2 電路的連接方法Fig. 2 Circuit connection method

2 結果與討論

2.1 力學性能

圖3 和圖4 分別是不同再生石墨摻入量的水泥基復合材料的抗折強度曲線和抗壓強度曲線。

圖3 不同再生石墨摻入量的水泥基復合材料的抗折強度曲線Fig. 3 Flexural strength curves of cement-based composites with different contents of recycled graphite

從圖3 中可以看出，在再生石墨粉摻入量為2%時，水泥基復合材料的抗折強度最高，達到8.8MPa，相對于沒有再生石墨粉摻雜的水泥基復合材料（空白樣）抗折強度提高了7%。從折線圖的趨勢上看，再生石墨粉摻入量較低的情況下，水泥基復合材料的抗折強度隨著再生石墨粉摻入量的增高逐漸增強并達到最高值，當再生石墨粉的摻入量超過一定范圍后，水泥基復合材料的抗折強度隨著再生石墨粉摻入量的增加逐漸降低。由此可以得出結論，在水泥基復合材料中適當地摻入再生石墨可以增強水泥基復合材料的抗折強度。

圖4 不同再生石墨摻入量的水泥基復合材料的抗壓強度曲線Fig. 4 Compressive strength curves of cement-based composites with different contents of recycled graphite

從圖4 中可以看出，在再生石墨粉摻入量為2%時，再生石墨- 水泥基復合材料的抗壓強度最高，達到61.7MPa，相對于空白樣的抗壓強度58.9MPa 提高了4.7%。從折線圖的趨勢上看，再生石墨粉摻入量較低的情況下，水泥基復合材料的抗壓強度隨著再生石墨粉的摻入量的增高逐漸增強并達到最高，再生石墨粉摻入量超過一定范圍后，水泥基復合材料的抗壓強度隨著再生石墨粉摻入量的增加逐漸降低。由此可以得出結論，在水泥基復合材料中適當地摻入再生石墨可以增強水泥基復合材料的抗壓強度。

綜上所述，在再生石墨摻入量較低的范圍內，水泥基復合材料的力學性能逐漸增強，在再生石墨摻入量達到一定量時，其力學性能達到最好的狀態，然后隨著石墨摻入量的增加，其力學性能逐漸變差。

2.2 電學性能

圖5 為再生石墨- 水泥基復合材料的電阻率隨再生石墨粉摻入量的變化趨勢圖。

圖5 不同再生石墨摻入量的水泥基復合材料的電阻率曲線Fig. 5 Resistivity curves of cement-based composites with different contents of recycled graphite

由圖5 可以看出，當再生石墨的摻入量為0% 時，水泥基復合材料的電阻率為62.35Ω·m，隨著再生石墨摻入量的增加，水泥基復合材料的電阻率呈逐漸下降的趨勢，當再生石墨的摻入量達到6% 時，水泥基復合材料的電阻率下降趨勢逐漸減緩，基本趨于穩定狀態。由此可以得出結論，隨著再生石墨摻入量的增加，水泥基復合材料的導電性越來越好，而當再生石墨摻入量超過一定范圍后，水泥基復合材料的導電性變化趨勢逐漸減小，基本趨于穩定，導電狀態達到最佳。

3 結論

水泥基復合材料作為結構工程中使用最廣泛的材料，其力學性能和電學性能的優化有利于擴大水泥基復合材料的應用范圍，增強其環境適應性。再生石墨以使用過的石墨為原材料，其制備方式簡單、成本低。本文實驗研究證明，在水泥基復合材料中摻入適當的再生石墨可以增強其抗折強度和抗壓強度，即可以增強其力學性能。且隨著再生石墨摻入量的增加，水泥基復合材料的導電性也逐漸增強，即可以增強其電學性能。因此可以得出結論，在水泥基復合材料中摻入再生石墨，在成本較低的基礎上，還增強了其電學性能和力學性能。