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[石墨烯水泥基复合材料的制备及其功能性研究]
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    水泥混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料,具有优良的力学强度和耐久性。随着人们生活水平的不断提高,建筑材料的功能化和智能性已成为人们日益关注的一个焦点。作为一种新型的二维纳米材料,石墨烯具有优异的力学、电学和热学性能,并且其与水泥基体的复合有望赋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复合材料的制备工艺及其力学性能、导电导热性能、电磁屏蔽和压敏性能。

研究的主要内容和结论如下:

(1)通过紫外-可见分光光度计、光学显微镜及静置沉降等实验方法定量分析了不同分散剂对石墨烯的分散效果。结果表明:萘系减水剂具有最优的分散性和稳定性,其最佳掺量为石墨烯质量的1倍。与空间位阻效应相比,静电斥力是决定分散剂分散能力的主要因素。此外,分散剂与石墨烯之间主要发生物理吸附作用,并未发生化学反应。同时发现,探头式超声的分散效率、效果远优于槽式超声的,是有效分散石墨烯的强力手段。

(2)通过大功率、分阶段超声处理辅加萘系减水剂分散得到石墨烯分散液,将其添加到水泥材料中制备了石墨烯-水泥基复合材料并进行力学性能研究。结果表明:随着石墨烯掺量的增加,水泥砂浆试件的抗压、抗折强度先增大后降低。当石墨烯掺量为2.00 wt.%时,力学性能最佳,3天抗压、抗折强度分别增加44%、49%。研究还发现,石墨烯对水泥砂浆早期强度的提高幅度更明显。石墨烯的增强机理主要是由于石墨烯的纳米尺寸和二维形态效应,易在水泥基体中分布形成网络结构从而密实其内部结构,减少孔隙率,同时在降低孔径方面发挥作用。此外,石墨烯具有较强的成核作用而促进了水泥水化,但不会改变水化产物的类型。

(3)采用直流两电极法研究了石墨烯-水泥砂浆试件的电学性能。结果表明:随着石墨烯掺量的增加,电阻率先下降而后趋于稳定。石墨掺含量达到2.00 wt.%后,电阻率趋于稳定,较空白样降低了40%,表明此时水泥材料内部开始形成导电网络的逾渗。采用热流稳态法研究了其热学性能,结果表明:随着石墨烯掺量的增大,导热系数先逐渐增大而后趋于稳定;1.00 wt.%的石墨烯能够使砂浆的导热系数增加23%。采用矢量网络分析仪研究了掺有1.00 wt.%石墨烯水泥净浆试件的电磁屏蔽性,结果表明:在12.4 GHz的电磁波频率下,1.00 wt.%石墨烯使得净浆的介电常数虚部增大60%,说明石墨烯明显提高了水泥净浆对电磁波的介电损耗能力,而此时电磁屏蔽效能增大30%~45%,表明石墨烯可以大大提高水泥净浆材料对电磁波的屏蔽能力。

(4)通过试件在单轴受压下的响应电压变化规律,应变、应力灵敏度系数研究了不同掺量的石墨烯-水泥基复合材料的压敏性,揭示了石墨烯对其压敏性的影响机理。结果表明,当石墨烯掺量为1.00 wt.%,水泥净浆试件压敏性最佳。然而,当石墨烯掺量为2.00 wt.%,砂浆试样具有最优压敏性。随石墨烯掺量的增大,其应力、应变灵敏度系数先增大后降低。净浆材料比砂浆材料具有更优的压敏性能。当石墨烯掺量为1.00 wt.%时,净浆材料具有最大应力、应变灵敏度系数,高达2.52%/MPa、363.10。

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