再生石墨增强水泥基复合材料的力学性能和电学性能研究

孟 琳

（陕西交通职业技术学院 建筑与测绘工程学院，陕西西安 710018）

水泥基复合材料是指以水泥发生水化反应，硬化后形成的硬化水泥浆体作为基体与其他材料组合得到具有新功能的材料，是土木工程领域使用最广泛的结构工程材料[1]。水泥基复合材料的抗拉强度低、抗冲击韧性差、脆性高，在工程应用中容易产生裂纹，限制了其在工程中更广泛的应用[2]。为了改善水泥基复合材料的结构缺陷，通常采用掺入其他材料或者化合物的方法进行缝隙填充，减少其结构缺陷，增强其性能。例如，为了增强水泥基复合材料的韧性、抗冲击性、耐疲劳等特性，张聪等利用纤维的韧性来改善水泥基复合材料的韧性，设计了一种由钢纤维等构成的多尺度纤维增强水泥基复合材料[3]；为了改善水泥基复合材料的电学性能，黎恒杆等将多壁碳纳米管掺入到水泥基复合材料中，增强了水泥基复合材料的抗压强度和导电效果[4]。为了改善水泥基复合材料的电学性能和力学性能，花蕾等通过改进的Hummer’s 法制备了氧化石墨烯，并将其掺入水泥基复合材料中，达到了增强其力学性能和电学性能的效果[5]。为了适应不同的应用环境，增强水泥基复合材料的性能，同时又降低其改性成本一直是人们关注的一个重大问题。

石墨在常温条件下性质比较稳定，且具有良好的导电性能，将使用过的石墨再破碎搅拌使用，就是再生石墨。再生石墨的制作成本低，制备工艺简单。因此，在借鉴前人研究的基础上，为了进一步降低成本，同时改善水泥基复合材料的性能，本文利用再生石墨的特性在水泥砂浆中掺入再生石墨，制备了再生石墨- 水泥基复合材料，并对其力学性能和电学性能进行研究，为制备良好性能的水泥基复合材料提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料以及配方设计

再生石墨：将使用过的石墨破碎，然后经粉碎机粉碎，筛分得到再生石墨粉；普通硅酸盐水泥；普通中砂。

为了研究不同再生石墨掺入量对水泥基复合材料性能的影响，设计并制备了不同再生石墨掺入量的再生石墨- 水泥基复合材料。为了保证实验的准确，除了再生石墨的掺入量以外，在实验过程中，保持水灰比即水与水泥+ 石墨的质量比不变。本文中共设计了6 种比例的再生石墨- 水泥基复合材料，再生石墨的质量分数分别为0%、2%、4%、6%、8%、10%。其中含量为0% 的水泥基复合材料作为空白样，做对照试验。

1.2 样品的制备

再生石墨水性分散液的制备：称取一定量的再生石墨粉，加入水中，利用磁力搅拌器搅拌15min，将搅拌后的悬浊液置于超声纳米材料分散仪中超声分散45min，制得再生石墨水性分散液。

再生石墨- 水泥基复合材料的制备: 将一定比例的普通硅酸盐水泥和普通中砂分别倒入搅拌锅中，先在搅拌锅中将上述混合物搅拌较为均匀后，再开启搅拌机。先低速将混合物搅拌均匀，然后将上述制备的再生石墨水性分散液倒入低速搅拌的混合物中，再低速搅拌5min后，开启高速搅拌模式搅拌5min，使再生石墨粉与水泥砂浆充分混合均匀。将充分混合的水泥浆体倒入三联模中，置于胶砂试件成型振实台上振动夯实，同时排出多余的气泡。将三联模置于温度(20±2)℃、湿度90% 的蒸汽养护室内，5 天之后脱模编号，放入标准的恒温恒湿养护箱中养护28 天。

1.3 性能测试

力学性能的测试：将经上述方法制备并养护好的试件取出，参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》，采用50N/s 和2.4kN/s 的加荷速度分别测定试件的抗折强度和抗压强度，每组取3 个试件进行测试并取平均值作为最终的测试结果。

电学性能的测试：电学性能测试样品如图1 所示，其制作方法同1.2 节中的制作方法，当再生石墨粉- 水泥基复合材料的三联模成型后，在试件上插入铜丝网，试件养护5 天后取出，置于50℃的烘箱中24h 烘干备用。本研究中采用四电极法测试试件的电阻率，电路的连接方法如图2 所示，实验中采用万用表和可调直流稳压电源。实验过程中，通过调节电源的电压从而在电压表和电流表中得到不同的电压值U和电流值I，再以U为纵坐标，I为横坐标，线性拟合得到电阻R，利用公式R=U/I和ρ=R·S/L即可计算得出试件的电阻率，其中,R为电阻值，S为试件的横截面积，L为内电极之间的距离，ρ为电阻率。

图1 再生石墨-水泥基复合材料的实物图Fig. 2 Physical drawing of recycled graphite cement based composite

图2 电路的连接方法Fig. 2 Circuit connection method

2 结果与讨论

2.1 力学性能

图3 和图4 分别是不同再生石墨掺入量的水泥基复合材料的抗折强度曲线和抗压强度曲线。

图3 不同再生石墨掺入量的水泥基复合材料的抗折强度曲线Fig. 3 Flexural strength curves of cement-based composites with different contents of recycled graphite

从图3 中可以看出，在再生石墨粉掺入量为2%时，水泥基复合材料的抗折强度最高，达到8.8MPa，相对于没有再生石墨粉掺杂的水泥基复合材料（空白样）抗折强度提高了7%。从折线图的趋势上看，再生石墨粉掺入量较低的情况下，水泥基复合材料的抗折强度随着再生石墨粉掺入量的增高逐渐增强并达到最高值，当再生石墨粉的掺入量超过一定范围后，水泥基复合材料的抗折强度随着再生石墨粉掺入量的增加逐渐降低。由此可以得出结论，在水泥基复合材料中适当地掺入再生石墨可以增强水泥基复合材料的抗折强度。

图4 不同再生石墨掺入量的水泥基复合材料的抗压强度曲线Fig. 4 Compressive strength curves of cement-based composites with different contents of recycled graphite

从图4 中可以看出，在再生石墨粉掺入量为2%时，再生石墨- 水泥基复合材料的抗压强度最高，达到61.7MPa，相对于空白样的抗压强度58.9MPa 提高了4.7%。从折线图的趋势上看，再生石墨粉掺入量较低的情况下，水泥基复合材料的抗压强度随着再生石墨粉的掺入量的增高逐渐增强并达到最高，再生石墨粉掺入量超过一定范围后，水泥基复合材料的抗压强度随着再生石墨粉掺入量的增加逐渐降低。由此可以得出结论，在水泥基复合材料中适当地掺入再生石墨可以增强水泥基复合材料的抗压强度。

综上所述，在再生石墨掺入量较低的范围内，水泥基复合材料的力学性能逐渐增强，在再生石墨掺入量达到一定量时，其力学性能达到最好的状态，然后随着石墨掺入量的增加，其力学性能逐渐变差。

2.2 电学性能

图5 为再生石墨- 水泥基复合材料的电阻率随再生石墨粉掺入量的变化趋势图。

图5 不同再生石墨掺入量的水泥基复合材料的电阻率曲线Fig. 5 Resistivity curves of cement-based composites with different contents of recycled graphite

由图5 可以看出，当再生石墨的掺入量为0% 时，水泥基复合材料的电阻率为62.35Ω·m，随着再生石墨掺入量的增加，水泥基复合材料的电阻率呈逐渐下降的趋势，当再生石墨的掺入量达到6% 时，水泥基复合材料的电阻率下降趋势逐渐减缓，基本趋于稳定状态。由此可以得出结论，随着再生石墨掺入量的增加，水泥基复合材料的导电性越来越好，而当再生石墨掺入量超过一定范围后，水泥基复合材料的导电性变化趋势逐渐减小，基本趋于稳定，导电状态达到最佳。

3 结论

水泥基复合材料作为结构工程中使用最广泛的材料，其力学性能和电学性能的优化有利于扩大水泥基复合材料的应用范围，增强其环境适应性。再生石墨以使用过的石墨为原材料，其制备方式简单、成本低。本文实验研究证明，在水泥基复合材料中掺入适当的再生石墨可以增强其抗折强度和抗压强度，即可以增强其力学性能。且随着再生石墨掺入量的增加，水泥基复合材料的导电性也逐渐增强，即可以增强其电学性能。因此可以得出结论，在水泥基复合材料中掺入再生石墨，在成本较低的基础上，还增强了其电学性能和力学性能。