水泥混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料,具有優(yōu)良的力學強度和耐久性。隨著人們生活水平的不斷提高,建筑材料的功能化和智能性已成為人們日益關注的一個焦點。作為一種新型的二維納米材料,石墨烯具有優(yōu)異的力學、電學和熱學性能,并且其與水泥基體的復合有望賦予水泥材料一定的功能、智能特性。本文主要研究了石墨烯水泥基復合材料的制備工藝及其力學性能、導電導熱性能、電磁屏蔽和壓敏性能。

研究的主要內容和結論如下:

(1)通過紫外-可見分光光度計、光學顯微鏡及靜置沉降等實驗方法定量分析了不同分散劑對石墨烯的分散效果。結果表明:萘系減水劑具有最優(yōu)的分散性和穩(wěn)定性,其最佳摻量為石墨烯質量的1倍。與空間位阻效應相比,靜電斥力是決定分散劑分散能力的主要因素。此外,分散劑與石墨烯之間主要發(fā)生物理吸附作用,并未發(fā)生化學反應。同時發(fā)現,探頭式超聲的分散效率、效果遠優(yōu)于槽式超聲的,是有效分散石墨烯的強力手段。

(2)通過大功率、分階段超聲處理輔加萘系減水劑分散得到石墨烯分散液,將其添加到水泥材料中制備了石墨烯-水泥基復合材料并進行力學性能研究。結果表明:隨著石墨烯摻量的增加,水泥砂漿試件的抗壓、抗折強度先增大后降低。當石墨烯摻量為2.00 wt.%時,力學性能最佳,3天抗壓、抗折強度分別增加44%、49%。研究還發(fā)現,石墨烯對水泥砂漿早期強度的提高幅度更明顯。石墨烯的增強機理主要是由于石墨烯的納米尺寸和二維形態(tài)效應,易在水泥基體中分布形成網絡結構從而密實其內部結構,減少孔隙率,同時在降低孔徑方面發(fā)揮作用。此外,石墨烯具有較強的成核作用而促進了水泥水化,但不會改變水化產物的類型。

(3)采用直流兩電極法研究了石墨烯-水泥砂漿試件的電學性能。結果表明:隨著石墨烯摻量的增加,電阻率先下降而后趨于穩(wěn)定。石墨摻含量達到2.00 wt.%后,電阻率趨于穩(wěn)定,較空白樣降低了40%,表明此時水泥材料內部開始形成導電網絡的逾滲。采用熱流穩(wěn)態(tài)法研究了其熱學性能,結果表明:隨著石墨烯摻量的增大,導熱系數先逐漸增大而后趨于穩(wěn)定;1.00 wt.%的石墨烯能夠使砂漿的導熱系數增加23%。采用矢量網絡分析儀研究了摻有1.00 wt.%石墨烯水泥凈漿試件的電磁屏蔽性,結果表明:在12.4 GHz的電磁波頻率下,1.00 wt.%石墨烯使得凈漿的介電常數虛部增大60%,說明石墨烯明顯提高了水泥凈漿對電磁波的介電損耗能力,而此時電磁屏蔽效能增大30%~45%,表明石墨烯可以大大提高水泥凈漿材料對電磁波的屏蔽能力。

(4)通過試件在單軸受壓下的響應電壓變化規(guī)律,應變、應力靈敏度系數研究了不同摻量的石墨烯-水泥基復合材料的壓敏性,揭示了石墨烯對其壓敏性的影響機理。結果表明,當石墨烯摻量為1.00 wt.%,水泥凈漿試件壓敏性最佳。然而,當石墨烯摻量為2.00 wt.%,砂漿試樣具有最優(yōu)壓敏性。隨石墨烯摻量的增大,其應力、應變靈敏度系數先增大后降低。凈漿材料比砂漿材料具有更優(yōu)的壓敏性能。當石墨烯摻量為1.00 wt.%時,凈漿材料具有最大應力、應變靈敏度系數,高達2.52%/MPa、363.10。

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