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(xué)強(qiáng)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?nèi)找骊P(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。作為一種新型的二維納米材料,石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能,并且其與水泥基體的復(fù)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(fù)合材料的制備工藝及其力學(xué)性能、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽和壓敏性能。

研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:

(1)通過(guò)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)、光學(xué)顯微鏡及靜置沉降等實(shí)驗(yàn)方法定量分析了不同分散劑對(duì)石墨烯的分散效果。結(jié)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(zhì)量的1倍。與空間位阻效應(yīng)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(xué)反應(yīng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn),探頭式超聲的分散效率、效果遠(yuǎn)優(yōu)于槽式超聲的,是有效分散石墨烯的強(qiáng)力手段。

(2)通過(guò)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(fù)合材料并進(jìn)行力學(xué)性能研究。結(jié)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(qiáng)度先增大后降低。當(dāng)石墨烯摻量為2.00 wt.%時(shí),力學(xué)性能最佳,3天抗壓、抗折強(qiáng)度分別增加44%、49%。研究還發(fā)現(xiàn),石墨烯對(duì)水泥砂漿早期強(qiáng)度的提高幅度更明顯。石墨烯的增強(qiáng)機(jī)理主要是由于石墨烯的納米尺寸和二維形態(tài)效應(yīng),易在水泥基體中分布形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從而密實(shí)其內(nèi)部結(jié)構(gòu),減少孔隙率,同時(shí)在降低孔徑方面發(fā)揮作用。此外,石墨烯具有較強(qiáng)的成核作用而促進(jìn)了水泥水化,但不會(huì)改變水化產(chǎn)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(xué)性能。結(jié)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(dá)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(shí)水泥材料內(nèi)部開(kāi)始形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的逾滲。采用熱流穩(wěn)態(tài)法研究了其熱學(xué)性能,結(jié)果表明:隨著石墨烯摻量的增大,導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)增加23%。采用矢量網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(shù)虛部增大60%,說(shuō)明石墨烯明顯提高了水泥凈漿對(duì)電磁波的介電損耗能力,而此時(shí)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(duì)電磁波的屏蔽能力。

(4)通過(guò)試件在單軸受壓下的響應(yīng)電壓變化規(guī)律,應(yīng)變、應(yīng)力靈敏度系數(shù)研究了不同摻量的石墨烯-水泥基復(fù)合材料的壓敏性,揭示了石墨烯對(duì)其壓敏性的影響機(jī)理。結(jié)果表明,當(dāng)石墨烯摻量為1.00 wt.%,水泥凈漿試件壓敏性最佳。然而,當(dāng)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(yīng)力、應(yīng)變靈敏度系數(shù)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(dāng)石墨烯摻量為1.00 wt.%時(shí),凈漿材料具有最大應(yīng)力、應(yīng)變靈敏度系數(shù),高達(dá)2.52%/MPa、363.10。

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