基于石墨烯颗粒的水泥砂浆导电性能研究

陈 明 方轶文 潘 倩

(江苏大学土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013)

0 引言

水泥基材料是我国最普遍的重要工程材料之一，它能与许多材料掺合从而达到更好的使用效果。目前，水泥基复合材料发展的趋势是高性能和高耐久性[1-3]。在已经被我们熟知的水泥基材料性能里，其导电性一直备受人们关心。传统水泥基材料的电阻率很高，在干燥状态下，几乎为绝缘体，这在很大程度上限制了水泥基材料的应用范围。我们通常能想到的就是将混凝土与其他材料相结合，以期改善其导电性能。而通常被用来掺入混凝土中的导电组分主要分为金属系和碳系两类。金属系的导电组分具有电阻率高的特点，但其缺点也很突出，金属材料在混凝土碱性环境中容易钝化，耐久性不是很好。碳系主要是石墨，碳纳米管等。纳米材料中，石墨烯作为新型的优良导电体，是目前被发现的世界上电阻率最小的材料。这让它与混凝土的结合很受期待。

本文主要通过二电极法，测量掺量为2%的石墨烯在不同龄期对水泥砂浆电阻率的影响。

1 实验部分

1.1 材料及试剂

石墨烯颗粒(GNPs)、聚羧酸减水剂(PC)、普通硅酸盐水泥、铜网(8目)、标准砂。

1.2 水泥砂浆的制备

首先称取一定量的石墨烯加入高效减水剂与水混合后，利用磁力搅拌20 min后，超声分散40 min制得石墨烯的水性分散液。然后，将石墨烯的水性分散液与水泥在水泥搅拌机的锅中进行搅拌，混合后将水泥浆体装入预置好铜丝电极的三联模中，最后将三联模置于标准养护室内(养护条件：温度(20±1)℃，湿度：90%)。

根据JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程，按照水泥胶砂搅拌方法成型水泥胶砂试件，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm标准试件，试件各成分配比如表1所示。将制备好的两种石墨烯掺量的试件分别在养护到3 d,7 d,14 d龄期(每种掺量石墨烯水泥砂浆试件各制备3个，分别在对应3个龄期取出测试，取出后不再二次使用)后，进行导电试验。

表1 水泥砂浆配合比

1.3 检测方法

GNPs导电水泥基复合材料的导电性能通过测量试件的电阻率来评价。本实验采用二电极法测量各组GNPs导电水泥基复合材料试件的电阻值，如图1电极1，2串联万用表。

实验时，将万用表调至欧姆档，串联万用表与两电极，可从表上读出电阻R值，再利用式(1)计算电阻率ρ。

ρ=RS/L

(1)

其中，R为电阻值；S为试件的横截面积；L为两极之间的距离，100 mm。

2 结果与讨论

2.1 石墨烯水泥砂浆导电性能

利用上述测试方法和公式，可以测得不同掺量的石墨烯及不同龄期条件下石墨烯水泥砂浆的电阻率，如图2所示，掺量为0%，2.0%的石墨烯水泥砂浆，在3 d，7 d，14 d龄期时的电阻率变化折线图，通过比较同一龄期不同掺量电阻率的变化、同一掺量不同龄期电阻率的变化，以便评价添加石墨烯颗粒对于水泥砂浆电阻率的影响。

2.2 石墨烯颗粒对于水泥砂浆导电性能影响的分析

由实验数据和石墨烯水泥砂浆电阻率折线图可得：

1)当石墨烯掺量不变时，掺量0%和掺量2.0%的试件电阻率随龄期变化表现为：掺量0%的试件电阻率在3 d～14 d呈上升趋势，而掺量2.0%的试件电阻率在3 d～7 d有所下降，7 d～14 d呈上升趋势。掺量为0%的试件在3个龄期之间电阻率上升的比例依次为：45.93%,15.28%；掺量为2.0%的试件在3个龄期之间电阻率上升的比例依次为：-11.86%,432.69%。掺加2.0%的石墨烯试件的导电率在3 d～14 d先降后升，究其原因，可能是水化初期不稳定的原因导致的。

2)对比相同龄期不同掺量的试件可知：掺量为2.0%的试件相比于掺量0%试件，在3 d，7 d，14 d电阻率依次下降：76.95%，82.72%，20.17%。可见，掺量为2.0%的试件相比于不添加石墨烯的试件电阻率有较大的下降。总体来看，添加掺量为2.0%的石墨烯对于降低水泥砂浆导电率有较大影响，这也符合石墨烯导电性能优良的特性。

3 结语

1)相比于石墨烯掺量为0%的石墨烯水泥砂浆，掺量为2.0%的石墨烯水泥砂浆电阻率有较大下降，尤其在水化初期(3 d,7 d)石墨烯对提升水泥砂浆导电性能影响显著，石墨烯的优良导电性可以用于改善水泥砂浆导电性能不佳的情况。

2)水泥砂浆导电即可传输电信号，可能应用于以后一些智能传感元件。本实验龄期只进行3 d,7 d,14 d的研究，而其他龄期条件下的电阻率需要日后的探索与研究。