石墨导电混凝土的制备与性能

史延田， 张俊才， 廉璟坤

（1.黑龙江省建筑材料工业规划设计研究院，哈尔滨150010；2.黑龙江科技大学材料科学与工程学院，哈尔滨150022；3.哈尔滨市产品质量监督检验院，哈尔滨150036）

石墨导电混凝土的制备与性能

史延田1， 张俊才2， 廉璟坤3

（1.黑龙江省建筑材料工业规划设计研究院，哈尔滨150010；2.黑龙江科技大学材料科学与工程学院，哈尔滨150022；3.哈尔滨市产品质量监督检验院，哈尔滨150036）

为研究石墨混凝土的力学及电学特性，以C30混凝土为基准分别制备不同石墨掺量的石墨导电混凝土，分析石墨对混凝土拌合物和易性的影响，以及石墨混凝土在不同养护龄期时抗压强度及电阻率的变化。结果表明：加入石墨后混凝土的流动性明显变差，坍落度下降约25%，黏聚性和保水性下降明显。掺加5%和10%石墨的混凝土养护28 d时抗压强度分别下降了约50%和77%。加入石墨的混凝土导电性有所提高，掺加5%和10%石墨的混凝土养护28 d时电阻率分别为未加石墨混凝土的千分之一和五千分之一。该研究为混凝土改性提供了借鉴。

石墨；导电混凝土；抗压强度；电阻率

随着工程材料的发展，传统材料的改性与新材料的探索同时存在［1］。作为传统工程材料，混凝土的发展方向主要在于高强化、智能化和多功能化。普通混凝土的电阻率一般在104～107Ω·m范围内，属电的不良导体。交流电环境下，干燥混凝土的电阻率高达1011Ω·m，属于绝缘体。但吸水饱和时，混凝土的电阻率降至10Ω·m左右。可见，普通混凝上是一种介于绝缘体和导体之间的材料［2］。加入导电相材料的混凝土，即使在干燥状态，亦可导电，因而成为一种新型多功能材料。导电混凝土在工程中具有非常好的应用前景，可在钢筋阴极保护、电磁干扰屏蔽、采暖、防静电、电工、电子等方面发挥重要作用。颗粒状及粉末状的导电材料，如炭粉、焦炭、石墨粉及钢屑等，由于其颗粒接近等轴状，长径比小，当掺量不高时，导电相接触较少，很难形成完整的导电网络，因此，其导电性能较差；而当导电相掺量较大时，由于导电相本身强度较低及导电相材料具吸水性，混凝土拌和水量将明显增大，混凝土各龄期强度大幅下降，难以满足土木工程对力学性能的要求［3-4］。碳质材料适宜作导电混凝土的骨料［5］，一方面是因为石墨较容易获取且成本较低，另一方面石墨具有良好的导电性、导热性及化学惰性。因此，笔者选择鳞片石墨作为导电相材料，以研究石墨混凝土的力学及电学特性。

1　实 验

1.1原料与配比

实验原料为标准42.5级普通硅酸盐水泥、粒径小于5 mm的普通中砂、最大粒径为20 mm的天然碎石子及粒度为1.0×10-6～5.0×10-3m的鳞片石墨，拌和水采用自来水，电极片由电解铜制得。

设计混凝土强度等级为C25，坍落度为30～50 mm。在基准配合比基础上，分别加入质量分数（w）为0、5%和10%的细鳞片石墨，搅拌均匀，标准条件下养护3、7和28 d。

1.2方法

1.2.1试样制备

根据所计算的混凝土配合比进行试样的制备。在试样制备过程中，利用混凝土坍落度测试仪测试并记录石墨掺量对混凝土拌合物和易性的影响。然后在振动台上装模振实，24 h后试样脱模标记，此为第一批试样。

制备第二批试样时，首先在模具中注入约10 mm厚的混凝土拌合物并将其摊平。把预制的铜质电极片置于模具中，在距离模腔内侧壁面约10 mm处固定电极片，并向模腔空隙慢慢加入混凝土拌合物。当混凝土拌合物达到模腔深度约1/3时，开启振动台，并保证电极片位置基本不产生偏移。20 s后停止振动，继续向模腔中加入混凝土拌合物，直至注满整个模腔，并在表面略微凸起。再次开启振动台，并控制好电极片的相对位置，直到模腔中混凝土拌合物的上表面渗出水泥浆，停止振动并将上表面抹平，擦净电极片外露部分，24 h后试样脱模标记，移入标准养护箱（温度（20±2）℃，湿度＞90%）。在实验需求的养护龄期内取出所需试样，进行后续的实验测试，记录并整理数据。

6）加强库内通风换气。经常检查，一旦发现虎皮病有发生苗头，立即组织出库销售，杜绝病害蔓延，避免整库果实染病，造成重大损失。

石墨导电混凝土中电极片布置见图1，相关参数见表1。

图1　电极布置示意Fig.1 Schematic diagram of arrangement of electrodes

表1　石墨导电混凝土中电极片的基本参数Table 1 Basic parameters of electrode flake in graphite conductive concrete

1.2.2和易性测试

利用标准坍落度筒测试混凝土拌合物的和易性，根据坍落度值确定流动性；通过敲击混凝土侧面观察混凝土是否散落判断混凝土的黏聚性；根据坍落度筒底部是否有水泥浆渗出判断混凝土的保水性。

1.2.3抗压强度测试

利用YEP-2006B屏显式液压压力实验机对试样进行3、7和28 d抗压强度测试。

1.2.4电阻率测试

采用DT9505B型数值万用电表测试第二批石墨导电混凝土试样在设定养护龄期内的电阻。

1.2.5组织结构分析

2　结果与讨论

2.1混凝土拌合物的和易性

在传统混凝土中加入石墨导电相可以起到降低混凝土电阻的作用，但是石墨的加入会对混凝土拌合物的和易性产生影响。实验测得不同石墨掺量条件下混凝土拌合物的坍落度（h），如图2所示。

图2　混凝土拌合物的坍落度Fig.2 Slump of concretem ixture

从图2可以看到，不掺石墨的混凝土拌合物坍落度为39 mm，达到了坍落度要求；但是掺加5%石墨的混凝土拌合物坍落度减小为30 mm；当石墨掺量达到10%时，混凝土拌合物的坍落度降为20 mm。由于石墨与水泥的亲水性不同，石墨属于疏水性物质，石墨的加入削弱了混凝土拌合物的流动性，同时使其黏聚性减弱、保水性降低。

2.2力学性能

图3显示了石墨导电混凝土3、7、28 d抗压强度测试结果。

图3　石墨导电混凝土抗压强度曲线Fig.3 Curves of graphite conductive concrete com pressive strength

由图3可以看出，无石墨掺入的混凝土养护28 d时抗压强度为33.28 MPa，达到了前期配合比中的试配强度；随着混凝土中石墨的质量分数增加，试件各龄期抗压强度呈明显下降趋势。在实验测试的范围内，石墨掺量每增加5%时，试块的抗压强度约减少50%；当石墨掺量达到10%时，其抗压强度仅为7.56 MPa，在实际工程中难以应用。

2.3导电性能

已有研究表明，混凝土试样在养护21 d后电阻基本达到稳定值［4］，因此，从安全角度出发，实验采用内置直流电压为9 V的万用电表及24 V交流电源测定石墨导电混凝土试样养护28 d后的电阻值（R），再换算为电阻率（p），计算式为

导电混凝土养护28 d的直流和交流电阻率如表2所示。

表2　导电混凝土养护28 d的直流和交流电阻率Table 2 28 d DC and AC resistivity of conductive concrete

由表2可以看出，未掺加石墨的混凝土的电阻率较大，直流电阻率为1.585×104Ω·m，交流电阻率为7.794×103Ω·m，相当于绝缘体；当掺入5%的石墨时，试样电阻率下降最明显，直流电阻率和交流电阻率分别为14.210、6.820Ω·m。由此可知，石墨导电相的加入，对提高混凝土的导电性大有帮助。掺入量达到10%时，试样的电阻率继续下降，但是下降速度减慢，直流电阻率和交流电阻率分别为3.367和1.665Ω·m，此时所测得电阻率较小，导电性能优良。由表2还可以看出，导电混凝土直流电阻率约为交流电阻率的两倍，说明混凝土中无论是否添加石墨，其交流电阻和直流电阻基本保持恒定的比例关系。

2.4组织结构

不同石墨掺量混凝土的扫描电镜（SEM）照片如图4所示。

由图4a可以看到大量带有分叉的纤维状的水化硅酸钙（C—S—H）凝胶，C—S—H凝胶是水泥石的主要成分，一般形态为纤维状粒子（Ⅰ型C—S—H凝胶）和网络状粒子（Ⅱ型C—S—H凝胶）。Ⅰ型C—S—H凝胶是水泥水化早期，从水泥表面向外辐射状生长的细长针柱状或棒状凝胶体，一般在尖端会产生两个或多个方向的分叉；Ⅱ型C—S—H凝胶是由许多小粒子相互接触而形成的网状构造。由图6a还可以看到水泥水化生成的较大晶粒的六方板状Ca（OH）2晶体，其边长约几十微米，部分生长充分的氢氧化钙晶体填充于C—S—H凝胶中，也可见结晶度比较完整的呈白色柱状的钙矾石晶体。但水泥水化产物均为电的不良导体，因而普通混凝土在干燥状态下电阻率很高，达77.94Ω·m。

从图4b可以看出，由于片状石墨的相互搭接及石墨片间的相互搭接，所制备的复合体系中产生了链状回路和间断回路。受石墨掺量和搅拌均匀程度的影响，该复合材料体系中还存在着无石墨区域的绝缘回路。从图4b还可以看到，掺入5%石墨的导电混凝土中水泥水化产物水化硅酸钙（C—S—H）、氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙结晶体数量明显减少，而这些水化产物正是使混凝土具有强度的核心要素；掺加5%石墨的混凝土强度明显下降（图3），接近无石墨混凝土抗压强度的50%，说明导电相石墨的掺入，影响了混凝土的强度，所以需要在导电性和强度之间寻求一个平衡点。对比图6b和图6c可知，由于石墨掺量的增加，不同石墨层片间的间距明显缩小，因而混凝土的导电性能进一步改善，电阻率较掺加5%石墨的降低76%。

图4　不同石墨掺量混凝土的SEM照片Fig.4 Different graphite content concrete SEM

3　结 论

（1）石墨的加入对混凝土拌合物的和易性（流动性、黏聚性、保水性）造成一定影响，混凝土拌合物流动性及黏聚性降低，保水性变差。

（2）混凝土抗压强度随石墨掺量的增加而急剧减小。无石墨混凝土标准养护28 d的抗压强度为33.28 MPa；石墨掺量为5%时，石墨导电混凝土的抗压强度降为16.12 MPa；石墨掺量达到10%时，混凝土的抗压强度降到7.56 MPa。在实验范围内，石墨掺量每增加5%，石墨导电混凝土抗压强度约减少50%。

（3）加入石墨后混凝土导电性能显著改善。用9 V直流电源、240 V交流电源测试，未掺石墨的混凝土标准养护28 d后的电阻率分别为1.585×104、7.794×103Ω·m；当掺入5%石墨时，混凝土电阻率下降最为明显，分别为14.210、6.820Ω·m；当石墨掺量达到10%时，混凝土电阻率下降已不再明显，分别为3.367和1.665Ω·m。

［1］ 沈 刚，董发勤.导电混凝土及其发展趋势［J］.工业建筑，2004，34（3）：62-64.

［2］ 高中民，刘 洋.导电混凝土的研究与应用［J］.工业技术，2011（15）：89-90.

［3］ 叶 青，张泽南，胡国君.掺碳纤维水泥基导电材料的物理性能研究［J］.混凝土与水泥制品，1995（3）：43-46.

［4］ CHUNG D D L.Cement-matrix composites for smart structures［J］.Smart Materials and Structures，2009，9（4）：389-401.

［5］ 毛 起，赵斌元，沈大荣，等.水泥基碳纤维复合材料压敏性的研究［J］.复合材料学报，1996，13（4）：10-13.

（编辑荀海鑫）

Preparation and properties of graphite conductive concrete abstract

SHIYantian1， ZHANG Juncai2， LIAN Jingkun3
（1.Heilongjiang Province Building Materials Industry Planning Design Research Institute，Harbin 150010，China；2.School of Materials Science&Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；3.ProductQuality Supervision&Inspection Institute of Harbin，Harbin 150036，China）

This paper is aimed at studyingmechanical and electrical properties of graphite concrete. The study involves respective preparation of graphite conductive concrete of different graphite content based on C30 concrete for reference，an analysis of the influence of graphite on concrete workability and the change of graphite concrete in compressive strength and resistivity under differentcuring age.The results show that an addition of graphite concrete leads to a significantly worse flowability，with the resultant decrease of about25%in slump，and also to a significant drop in cohesion and water.An addition of 5% and 10%graphite concrete curing28 d results in about50%and 77%decrease in compressive strength. Graphite addition provides an increase in concrete conductivity，and the concrete with an addition of5% and 10%graphite curing 28 d has a resistivity about1/1 000 and 1/5 000 lower than the concrete without graphite.The studymay provide a reference for concretemodification.

graphite；conductive concrete；compressive strength；conductivity

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.014

TU528

2095-7262（2014）05-0503-04

A

2014-08-28

史延田（1968-），男，黑龙江省鸡西人，高级工程师，硕士，研究方向：无机非金属材料工厂设计及制备，E-mail：sytian777@ sohu.com。