基于石墨烯顆粒的水泥砂漿導電性能研究

陳 明 方軼文 潘 倩

(江蘇大學土木工程與力學學院，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

水泥基材料是我國最普遍的重要工程材料之一，它能與許多材料摻合從而達到更好的使用效果。目前，水泥基復合材料發展的趨勢是高性能和高耐久性[1-3]。在已經被我們熟知的水泥基材料性能里，其導電性一直備受人們關心。傳統水泥基材料的電阻率很高，在干燥狀態下，幾乎為絕緣體，這在很大程度上限制了水泥基材料的應用范圍。我們通常能想到的就是將混凝土與其他材料相結合，以期改善其導電性能。而通常被用來摻入混凝土中的導電組分主要分為金屬系和碳系兩類。金屬系的導電組分具有電阻率高的特點，但其缺點也很突出，金屬材料在混凝土堿性環境中容易鈍化，耐久性不是很好。碳系主要是石墨，碳納米管等。納米材料中，石墨烯作為新型的優良導電體，是目前被發現的世界上電阻率最小的材料。這讓它與混凝土的結合很受期待。

本文主要通過二電極法，測量摻量為2%的石墨烯在不同齡期對水泥砂漿電阻率的影響。

1 實驗部分

1.1 材料及試劑

石墨烯顆粒(GNPs)、聚羧酸減水劑(PC)、普通硅酸鹽水泥、銅網(8目)、標準砂。

1.2 水泥砂漿的制備

首先稱取一定量的石墨烯加入高效減水劑與水混合后，利用磁力攪拌20 min后，超聲分散40 min制得石墨烯的水性分散液。然后，將石墨烯的水性分散液與水泥在水泥攪拌機的鍋中進行攪拌，混合后將水泥漿體裝入預置好銅絲電極的三聯模中，最后將三聯模置于標準養護室內(養護條件：溫度(20±1)℃，濕度：90%)。

根據JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程，按照水泥膠砂攪拌方法成型水泥膠砂試件，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm標準試件，試件各成分配比如表1所示。將制備好的兩種石墨烯摻量的試件分別在養護到3 d,7 d,14 d齡期(每種摻量石墨烯水泥砂漿試件各制備3個，分別在對應3個齡期取出測試，取出后不再二次使用)后，進行導電試驗。

表1 水泥砂漿配合比

1.3 檢測方法

GNPs導電水泥基復合材料的導電性能通過測量試件的電阻率來評價。本實驗采用二電極法測量各組GNPs導電水泥基復合材料試件的電阻值，如圖1電極1，2串聯萬用表。

實驗時，將萬用表調至歐姆檔，串聯萬用表與兩電極，可從表上讀出電阻R值，再利用式(1)計算電阻率ρ。

ρ=RS/L

(1)

其中，R為電阻值；S為試件的橫截面積；L為兩極之間的距離，100 mm。

2 結果與討論

2.1 石墨烯水泥砂漿導電性能

利用上述測試方法和公式，可以測得不同摻量的石墨烯及不同齡期條件下石墨烯水泥砂漿的電阻率，如圖2所示，摻量為0%，2.0%的石墨烯水泥砂漿，在3 d，7 d，14 d齡期時的電阻率變化折線圖，通過比較同一齡期不同摻量電阻率的變化、同一摻量不同齡期電阻率的變化，以便評價添加石墨烯顆粒對于水泥砂漿電阻率的影響。

2.2 石墨烯顆粒對于水泥砂漿導電性能影響的分析

由實驗數據和石墨烯水泥砂漿電阻率折線圖可得：

1)當石墨烯摻量不變時，摻量0%和摻量2.0%的試件電阻率隨齡期變化表現為：摻量0%的試件電阻率在3 d～14 d呈上升趨勢，而摻量2.0%的試件電阻率在3 d～7 d有所下降，7 d～14 d呈上升趨勢。摻量為0%的試件在3個齡期之間電阻率上升的比例依次為：45.93%,15.28%；摻量為2.0%的試件在3個齡期之間電阻率上升的比例依次為：-11.86%,432.69%。摻加2.0%的石墨烯試件的導電率在3 d～14 d先降后升，究其原因，可能是水化初期不穩定的原因導致的。

2)對比相同齡期不同摻量的試件可知：摻量為2.0%的試件相比于摻量0%試件，在3 d，7 d，14 d電阻率依次下降：76.95%，82.72%，20.17%。可見，摻量為2.0%的試件相比于不添加石墨烯的試件電阻率有較大的下降。總體來看，添加摻量為2.0%的石墨烯對于降低水泥砂漿導電率有較大影響，這也符合石墨烯導電性能優良的特性。

3 結語

1)相比于石墨烯摻量為0%的石墨烯水泥砂漿，摻量為2.0%的石墨烯水泥砂漿電阻率有較大下降，尤其在水化初期(3 d,7 d)石墨烯對提升水泥砂漿導電性能影響顯著，石墨烯的優良導電性可以用于改善水泥砂漿導電性能不佳的情況。

2)水泥砂漿導電即可傳輸電信號，可能應用于以后一些智能傳感元件。本實驗齡期只進行3 d,7 d,14 d的研究，而其他齡期條件下的電阻率需要日后的探索與研究。