石墨摻雜裝配式結(jié)構(gòu)水泥基復(fù)合材料的制備與性能研究

馮玉苗，王 棟

(1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 402160；2.西安理工大學(xué)，西安 710048)

0 引 言

隨著近年來中國(guó)冶金、建筑、機(jī)械等領(lǐng)域的快速發(fā)展，石墨及其碳素制品的開發(fā)與應(yīng)用受到了極大關(guān)注，并且在各行各業(yè)中展現(xiàn)出了較好的應(yīng)用前景，我國(guó)2011～2017年石墨和碳素制品的銷售收入年復(fù)合增長(zhǎng)率已達(dá)20%以上。其中，將石墨摻入水泥基材料中制備石墨摻雜裝配式結(jié)構(gòu)水泥基復(fù)合材料在民用建筑、市政工程等領(lǐng)域的裝配式建筑中都體現(xiàn)出了較好的應(yīng)用前景。其中一個(gè)重要的原因就是，水泥基復(fù)合材料除了要滿足良好的力學(xué)性能外，還需要具有附加功能，如能夠進(jìn)行有效熱量控制等，這就要求水泥基復(fù)合材料具有低的傳熱系數(shù)和良好的力學(xué)性能[1]。選擇合適的水泥基復(fù)合材料填料以及考察填料改性對(duì)復(fù)合材料綜合性能的影響成了科研工作者急需研究的課題。目前，石墨烯、碳纖維、碳納米管和炭黑等碳系填料由于具有高熱導(dǎo)率和密度小等特點(diǎn)而在水泥基復(fù)合材料中均有應(yīng)用，雖然石墨烯在水泥基復(fù)合材料中已體現(xiàn)出較為顯著的抗壓/抗折強(qiáng)度提升作用，但是昂貴的價(jià)格同樣限制了其作為水泥添加劑而使用，因此，本文考慮選取石墨粉為原料對(duì)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行改性，這方面的研究相對(duì)較少[2-3]。基于良好力學(xué)性能和低傳熱系數(shù)水泥基復(fù)合材料的概念，將不同含量的石墨摻入水泥砂漿中，并考察攪拌方式對(duì)復(fù)合材料各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響，結(jié)果有助于改善水泥基復(fù)合材料的傳熱效率和力學(xué)性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

以天津何田科技有限公司生產(chǎn)的325目石墨粉(粒徑0.045 mm、密度1.0 g/cm3、固定碳含量99.9%)、唐山市長(zhǎng)江水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥(120目)、砂(中砂、細(xì)度模數(shù)2.6)、水為原料制備了石墨摻雜水泥砂漿，具體配方見表1，其中石墨摻量=石墨/(石墨+水泥+砂)，水灰比=水/(水泥+石墨)。

表1 石墨摻雜水泥砂漿的成分配比Table 1 Composition ratio of graphite-doped cement mortar

根據(jù)上述石墨摻雜水泥砂漿的成分配比，按照水泥、石墨和砂的順序加入行星式水泥膠砂攪拌機(jī)中進(jìn)行低速(145 r/min)攪拌2 min后，調(diào)檔至高速(250 r/min)攪拌2 min，攪拌均勻后澆筑至40 mm×40 mm×160 mm模具中，依據(jù)GBT 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》置于膠砂時(shí)間成型振實(shí)臺(tái)上振動(dòng)夯實(shí)后置于25 ℃、相對(duì)濕度60%的室溫環(huán)境中保持24 h后脫模，然后轉(zhuǎn)入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行7 d、28 d養(yǎng)護(hù)，待水分自然蒸干后得到普通攪拌工藝試塊。將石墨、水泥和砂裝入日本PRIMIX型超高速多功能攪拌機(jī)中，20 000 r/min轉(zhuǎn)速攪拌0.5 min后調(diào)檔至25 000 r/min攪拌0.5 min，攪拌結(jié)束后采用與普通攪拌工藝相同的裝模、振動(dòng)、脫模和養(yǎng)護(hù)步驟，得到超高速攪拌工藝試塊。

采用DYE-300S型水泥膠砂抗壓抗折一體機(jī)對(duì)工藝試塊進(jìn)行7 d、28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試；采用CD-D4141C型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定；顯微形貌采用日本電子IT300型掃描電鏡進(jìn)行觀察。

圖1 石墨摻量對(duì)石墨摻雜水泥基復(fù)合材料7 d 抗折強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of graphite content on 7 d flexural strength of graphite-doped cement-based composites

2 結(jié)果與討論

圖1所示為石墨摻量0%～12%時(shí)石墨摻雜水泥基復(fù)合材料試塊的7 d抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。對(duì)比可知，無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，隨著石墨摻量從0%增加至12%，試塊的7 d抗折強(qiáng)度都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但是相對(duì)而言，相同石墨摻量的超高速攪拌工藝試塊的7 d抗折強(qiáng)度更小，這可能是因?yàn)? d水泥水化產(chǎn)物較少，普通攪拌工藝下的石墨分散均勻性較差而造成。此時(shí)的界面結(jié)合區(qū)較少而相對(duì)缺陷也更少[4]，造成7 d抗折強(qiáng)度反而更高。

圖2 石墨摻量對(duì)石墨摻雜水泥基復(fù)合材料28 d 抗折強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of graphite content on 28 d flexural strength of graphite-doped cement-based composites

圖2所示為石墨摻量0%～12%時(shí)的石墨摻雜水泥基復(fù)合材料試塊的28 d抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。對(duì)比可知，無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，隨著石墨摻量從0%增加至12%，試塊的28 d抗折強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加而后減小的特征，在石墨含量為1%時(shí)測(cè)得抗折強(qiáng)度最大值。在相同的石墨摻量下，超高速攪拌工藝試塊的28 d抗折強(qiáng)度相對(duì)普通攪拌工藝試塊更大。這主要是因?yàn)?8 d條件下石墨摻雜水泥中的水化產(chǎn)物含量增多，界面結(jié)合力增強(qiáng)，相較于相同石墨摻量的復(fù)合材料7 d條件下的試塊抗折強(qiáng)度更大，但是如果繼續(xù)提高石墨摻量，試塊內(nèi)部的缺陷將會(huì)增多而造成抗折強(qiáng)度降低[5]。

圖3所示為石墨摻量0%～12%時(shí)石墨摻雜水泥基復(fù)合材料試塊7 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。對(duì)比可知，無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，石墨摻量為0%時(shí)試塊的抗壓強(qiáng)度相同，而隨著石墨摻量的增加，試塊的7 d抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但是相對(duì)而言，試塊在石墨摻量為1%時(shí)的下降幅度較小，而當(dāng)石墨摻量增加至3%及以上時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度下降幅度較大，在石墨摻量為12%時(shí)，兩種試塊的7 d抗壓強(qiáng)度已經(jīng)降低至16 MPa以下。

圖3 石墨摻量對(duì)石墨摻雜水泥基復(fù)合材料7 d 抗壓強(qiáng)度的影響
Fig.3 Effect of graphite content on 7 d compressive strength of graphite-doped cement-based composites

圖4 石墨摻量對(duì)石墨摻雜水泥基復(fù)合材料28 d 抗壓強(qiáng)度的影響
Fig.4 Effect of graphite content on the 28 d compressive strength of graphite-doped cement-based composites

圖4所示為石墨摻量0%～12%時(shí)石墨摻雜水泥基復(fù)合材料試塊28 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。對(duì)比可知，無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，石墨摻量為0%時(shí)試塊的抗壓強(qiáng)度相同，而隨著石墨摻量的增加，試塊的28 d抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。與7 d抗壓強(qiáng)度-石墨摻量曲線相似的是，試塊在石墨摻量為1%時(shí)的下降幅度較小，而當(dāng)石墨摻量增加至3%及以上時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度下降幅度較大，在石墨摻量為12%時(shí)，兩種試塊的28 d抗壓強(qiáng)度已經(jīng)降低至25 MPa以下，但是相同石墨摻量的28 d抗壓強(qiáng)度明顯高于7 d抗壓強(qiáng)度。

圖5 石墨摻量對(duì)石墨摻雜水泥基復(fù)合材料28 d 導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.5 Effect of graphite content on 28 d thermal conductivity of graphite-doped cement-based composites

圖5所示為石墨摻量0%～12%時(shí)石墨摻雜水泥基復(fù)合材料試塊28 d導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果。對(duì)比可知，無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，石墨摻量為0%時(shí)試塊的導(dǎo)熱系數(shù)相同，而隨著石墨摻量從0%增加至12%，試塊的28 d導(dǎo)熱系數(shù)都呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，在石墨摻量為12%時(shí)，試塊的導(dǎo)熱系數(shù)都升高至1.2 W/(m·K)以上。在相同的石墨摻量下，超高速攪拌工藝試塊的導(dǎo)熱系數(shù)要高于普通攪拌工藝試塊，這主要是因?yàn)榍罢叩臄嚢杷俣雀?，可以減少攪拌過程中產(chǎn)生導(dǎo)熱填料的同時(shí)提高導(dǎo)熱系數(shù)[6-7]。此外，隨著石墨摻量的增加，兩種攪拌工藝下試塊的導(dǎo)熱系數(shù)增加率明顯不同，當(dāng)石墨含量從0%增加至1%時(shí)，普通攪拌工藝試塊和超高速攪拌工藝試塊的導(dǎo)熱系數(shù)增加率分別達(dá)到30.0%和37.2%，且隨著石墨摻量的增加，普通攪拌工藝試塊的導(dǎo)熱系數(shù)增加率逐漸減小，而超高速攪拌工藝試塊的導(dǎo)熱系數(shù)增加率先增加而后減小，在石墨摻量從1%增加至3%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)增加率最大，約為46.1%。整體而言，當(dāng)石墨摻量增加至7%時(shí)，繼續(xù)增加石墨摻量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響不大，可以認(rèn)為石墨摻量為7%時(shí)具有最佳的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)組合。

取石墨摻量分別為1%、5%和9%的石墨摻雜水泥基復(fù)合材料粉末，烘干后置于掃描電鏡下觀察，普通攪拌工藝和超高速攪拌工藝試塊的形貌分別如圖6和圖7所示。結(jié)合能譜分析結(jié)果可知，石墨摻量為1%時(shí)，普通攪拌工藝下復(fù)合材料中的石墨粒子含量較少，而超高速攪拌工藝下的石墨粒子較多；增加石墨摻量至5%，普通攪拌工藝下復(fù)合材料中才出現(xiàn)較多的石墨粒子，但是繼續(xù)增加石墨摻量至9%時(shí)，石墨在復(fù)合材料中已經(jīng)發(fā)生團(tuán)聚，而石墨摻量為5%和9%的超高速攪拌工藝下復(fù)合材料中都可見較多石墨粒子，這也就說明，采用超高速攪拌工藝有助于促進(jìn)復(fù)合材料中石墨粒子的分散[8-9]，從而獲得優(yōu)異的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能。

圖6 普通攪拌工藝的石墨摻雜水泥基復(fù)合材料的顯微形貌
Fig.6 Microstructure of graphite-doped cement-based composites by common stirring process

圖7 超高速攪拌工藝的石墨摻雜水泥基復(fù)合材料的顯微形貌
Fig.7 Microstructure of graphite-doped cement-based composites by ultra high speed stirring process

3 結(jié) 論

(1)無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，隨著石墨摻量從0%增加至12%，試塊的7 d抗折強(qiáng)度都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，試塊的28 d抗折強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加后減小的特征。

(2)無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，石墨摻量為0%時(shí)試塊的抗壓強(qiáng)度相同，而隨著石墨摻量的增加，試塊的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但是相對(duì)而言，試塊在石墨摻量為1%時(shí)的下降幅度較小，而當(dāng)石墨摻量增加至3%及以上時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度下降幅度較大。

(3)無論是普通攪拌工藝試塊還是超高速攪拌工藝試塊，石墨摻量為0%時(shí)試塊的導(dǎo)熱系數(shù)相同，而隨著石墨摻量從0%增加至12%，試塊的28 d導(dǎo)熱系數(shù)都呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，在石墨摻量為12%時(shí)，試塊的導(dǎo)熱系數(shù)都升高至1.2 W/(m·K)以上。石墨摻量為7%的石墨摻雜水泥基復(fù)合材料具有最佳的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)組合。