石墨混凝土复合材料敏感特性基础研究.pdf

助 财 抖 2 0 1 0 年第1 2 期( 4 1 ) 卷 石墨混凝土复合材料敏感特性基础研 究 贾治 勇 ， 白树林 ， 赵顺增。 ( 1 北京大 学 工学 院 ， 北京 1 0 0 8 5 0 ； 2 空 军工程 设计 研究 局 ， 北 京 1 0 0 0 6 8 ； 3 中国建 筑材 料研究 院 ， 北京 1 0 0 0 2 2 ) 摘 要 ： 作 为石 墨混凝 土复合 材料 机敏 特 性探 索， 从 材料 的表观 密度 、 吸 水 率 、 抗 压 强度 、 体 积 电 阻率 等性 能 、 特殊 功 能( 电热 、 温敏 、 湿敏 、 压敏 等) 方 面进行 了基 础性 能研 究 ， 研 究表 明 ， 随石 墨掺 量 增加 表 观 密度 、 体 积 电阻率 、 抗 压强度 降低 ， 吸水 率提 高。 关键词 ： 混 凝土 ； 石 墨 ； 体 积 电阻率 中图分 类号 ： T M2 5 ； TB 3 4 文献标 识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 1 - 9 7 3 1 ( 2 0 1 0 ) l 2 - 2 2 2 0 0 3 1 引 言 混凝 土一方 面 向高性能 发展 ， 另一 方 面 向功能 、 智 能材 料方 向发展 ， 导 电混凝土 即是 功能 混凝 土 的一种 ， 未来 可广 泛用 于 电热 电器 、 电力 工 业 、 工 业 防 静 电 、 机 敏材料等领域 ， 对其进行研究非常必要。电热混凝 土 的基 础一 电性 能 水 泥基 材 料 的研 究 工作 ， 国外 始 于 2 0世 纪 6 0 、 7 0年 代 ， 我 国 始 于 2 0世 纪 8 O年 代 中 期 。从 目前 掌握 的情 况 看 ， 这 方 面 的研 究 开 始 逐 步 活 跃 ， 发 表 的研 究论 文数量 也逐步 增加 ， 但应 用 成果 也还 没有普遍推广。导电混凝土的导电性特性使其有望成 为一种 具有 自诊能力 的敏 感智 能材 料 。在一 些 重要 的工程 中， 实现 对这 些结 构或建 筑 的应 力 场 、 湿 度及 温 度的监 测 ， 确 保 结 构安 全 运 行 。水 泥基 材 料 的 电阻 率 与材料 的敏感 特性密 切相关 。普 通混凝 土 的 电阻率 一 般在 1 0 1 O 。 Q c m 范 围 内 ， 几 乎 为 绝 缘 体 ， 在 混 凝 土 中添 加一定 量 的导 电导 磁物 质 ， 可 以大 大改 进 其 电 阻率 ， 进 而影 响其敏感 性 能 。因此 ， 通过 对 敏感 混凝 土 材 料 的研 究 ， 为 以后水 泥 基 材料 具 有 自诊 能力 进 行 研 发 奠定 良好 的基 础 。 2 原 材 料 和 实 验 设 备 2 1 实验原料 ( 1 ) 水 泥 ： 冀 东 5 2 5 普 通硅 酸盐水 泥 ； ( 2 ) 石 墨 ： 北 京 山华雅工 贸有 限公 司 ， 细度 大于 2 0 0目； ( 3 ) 减水 剂 ： 萘 系 ， 天津 豹呜股 份有 限公 司。 2 2 实验设 备 ( 1 ) 水 泥 净 浆 搅 拌 机 ； ( 2 ) Q J 2 3 A 型 直 流 电 阻 电 桥 ； ( 3 ) 烘 箱 ： l 1 5 。 C； ( 4 ) 压 力 实 验 机 ： 1 0 0 k N； ( 5 ) 冷 冻 箱 ： 一1 0 - C； ( 6 ) 扫描 电镜 ； ( 7 ) 电子天平 ： 感量 0 0 1 。 2 3 实验 方法 2 3 1 试体 尺 寸 表 观 密 度 、 吸 水 率 、 抗 压 强 度 、 体 积 电 阻 率 为 3 0 mm 3 0 mm 3 0 mm； 电 热 、 温 敏 、 湿 敏 、 压 敏 为 ： 4 0 mm4 0 mm 1 6 0 mm； 吸 波 与 屏 蔽 为 01 0 0 mm mm。 2 3 2 掺加 量计算 方 法 石 墨是 内掺法 ， 即 ： 5 一 S是掺 加量 ， c是 水泥 量 ， K 是 掺 量 百分 数 。用水 量按 相 同稠度 为准 。 在试体养护 2 8 d后 ， 转 1 0 5 。 C烘箱干燥 ， 测表观密 度、 抗压强度、 体积电阻率 、 电热 、 温敏 、 压敏 。 3实 验 结 果 与讨 论 3 1 基本 性能 3 1 1 表 观密度 图 1 是 不 同石 墨 掺 量 时 ， 复 合 材料 的表 观 密 度 结 果 。可 以看 出 ， 石 墨 随 掺量 的增 加 ， 表 观 密 度 降 低 ， 在 石 墨体 系 中掺 加 1 减水 剂 ， 可 以增 加 表 观密 度 ， 但 不 改 变降低 趋势 。石 墨与基 体 ( 水 泥 ) 密度 不 同是造 成这 一 规律 的原 因 。了解 表 观 密度 的发 展 规 律 ， 有 助 于在 结 构设计 时 ， 比较结 构荷 重 。 石 墨掺 量， 图 1 石 墨掺加 量 与表 观 密度 的关系 Fi g 1 Ap p a r e n t d e n s i t y f o r g r a p h i t e c e me n t ma t e r i a l s 3 1 2 吸水率 图 2为石 墨掺加 量与 吸水 率 的关 系曲线 。在 石墨 体系中， 随石墨掺量增加 ， 吸水率变大 ， 掺加 1 减水 剂 ， 吸水率有所降低。而钢纤维体系中， 吸水率随掺量 略呈 下降 趋势 ， 在碳纤 维体 系 中 ， 则呈 增大趋 势 。 * 基金项 目： 军 队预研基金资助项 目( K J 2 0 0 9 7 1 1 0 0 8 ) 收到初稿 日期 ： 2 0 1 0 0 7 1 0 收到修改稿 日期 ： 2 0 1 0 1 2 - 1 0 通讯作者 ： 贾 治勇 作者简介 ： 贾治勇 ( 1 9 6 9 一) ， 男 ， 河南太康人 ， 博士后 ， 高级工程师 ， 从事 电磁功能研究 。 贾治 勇 等 ： 石墨混凝 土复合材 料敏感特性基 础研 究 石 墨掺量 o o 图 2 石墨掺 加量 与吸 水率 的关 系 F i g 2 W a t e r a b s o r p t i o n f o r g r a p h i t e c e me n t ma t e r i a l s 3 1 3 抗压 强度 图 3为石 墨掺 加量 与 比强度 的关 系 曲线 。可 以 看 出， 随 石墨掺 量 的增 加 ， 试样抗 压 强度 明显 降低 。 石墨掺量， 图 3 石墨掺 加量 与 比强度 的关 系 F i g 3 S p e c i f i c s t r e n g t h f o r g r a p h i t e c e me n t ma t e r i a l s 3 1 4 体 积 电阻率 图 4为 石墨掺 加量 与体 积 电阻率 的关 系 曲线 。掺 量 1 O ， 电阻 降低不 明显 ， 掺量 在 1 O 2 O 间 ， 出 现渗滤阈值现象I 6 。随掺量进一步增加 ， 电阻呈 降低 趋势 ， 导电能力随石墨掺量增加而提高。当石墨掺量 5 Mt a后 ， 幅度 趋 缓 。这 一结 果 说 明该 材 料对压 力具 有敏感 性 ， 可以将 压力 变 化转换 为 电信 号 实现 对结 构的 自诊 控 制 。 也 可 以利 用 该 性 质制 造 水 泥 基 电子衡器 称毓 载货汽 车等 。 至 G 褥 蛊 昂 s 垃 压强 MP a 图 8 压 力 与 体积 电阻率 的关 系 Fi g 8 Pr e s s ur e V S v o l ume r e s i s t i v i t y f o r g r a ph i t e I c e me nt n l a t er i a l s 4 微 观 特 征 图 9 为 2 5 石 墨掺 量扫 描 电镜 照 片 放 大 4 0 6 0倍 的扫 描 电镜 照 片 。扫描 结 果 显示 ， 导 电 粒 子胶 粘 于水 泥 水化产物 中。 其 表 面存 在 水 泥 水化 产 物 。导 电粒 子 互小 接触 及 导【 乜 粒 于表 面 富集的水 泥水 化 产物 会 弱化 体系 的导 电能力 。如果 在 水 化 产物 中导 人 导 电离 子 。 可能 会改变 体系 的电性 能 。 目前赋予 水 泥基材 料 电性 能 的方法 是 在水 泥 材料 中掺 杂导 电材 料 ， 这 些 导 电材 料 主 要 有 电 子类 导 电材 料 ， 如金 属和 碳质 材 料 ， 另 一类 是 离 子 型 导 电材 料 ， 如 电解 质溶液 等 。本研 究 采取 的技术 路线 是 在水 泥 基 材 料 中掺杂 电子类 导电材 料 。电性能 水泥 摹 材料 导电 的 实质是 导 电粒 子 问的相互 接触 ， 接触 面越 大 ， 导 电性 能 越 好 。 图 9 扫描 电镜 照片 F i g 9 S EM f o r g r a p h i t e c e me n t ma t e r i a l s 5 结 论 行墨体系中， 随石墨掺量增加表观密度、 体积 电阻 率 、 抗压 强度 降低 ， 吸水 率提高 。其 复合 材料 体系 反应 出独 特 的温敏 、 湿 敏 、 压 敏 等特 性 ， 为 以后 水 泥 基 材料 具有 自诊 能力 进行研 发 奠定 良好 的基 础 。 参 考文献 ： 1 贾治 勇 E J 中国建材 2 0 0 0 ， 1 0 ： 6 4 6 5 2 C h u n g D D L _ J C o mp o s i t e s ： P a r t B ， 2 0 0 0 ， 3 1 ( 6 - 7 ) ： 5l 1 5 2 6 3 Kh a r k o c s k y S N， A k a y M F ， Ha s a r U C ， e t a 1 E J I n s t r u me nt a t i on M e a s u r e me nt ， 2 00 2， 5l ( 6)： l 2 l0 12 l 8 E 4 3 张文稿 ， 马吕恒 ， 赵文艳 E J 大 庆石 油学 院学报 ， 2 0 0 9 ， 3 3 ( 1 )： 7 2 7 4 5 韩宝 国。 关新春 ， 欧进萍 J 复合材料学报 ， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 3 ) ： 】 37 1 41 6 张跃 J 材料研究学报 ， 1 9 9 5 ， 9 ( 3 ) ： 2 8 4 2 8 8 7 c t ran g D D I J C o mp o s i t e s P a r t B： E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 0 ， 31： 51 1 5 2 6 8 F u X u l i 【 J C a r b o n ， 1 9 9 8 ， 4 ： 4 5 9 4 6 2 Fo u n d a t i o n f r o p e r t i e s o f g r a p hi t e f i l l e d c e me n t c o n d u c t i v e c o mp o s i t e s J I A Z h i y o n g 。 ， BAI S h u l i n ， ZHAO S h u n z e n g 。 ( 1 I TCS， De p a r t me nt o f Adv a n c e d M a t e r i a l s a nd Na n ot e c h no l 0 gy， Co l l e g e o f En g i n e e r i n g， P e k i n g Un i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 8 7 1， Ch i n a ； 2 Ch i n a Ai r p o r t En g i n e e r i n g De s i g n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 6 8， Ch i n a ； 3 I n s t i t u t e C o n s t r u c t i o n Ma t e r i a l s ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 2， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e g r a p h i t e c e me n t c o mp o s i t e s we r e p r e p a r e d Th e f o u n d a t i o n p r o p e r t i e s we r e s t u d i e d b y d e n s i t y t e s t a nd s o p r a t i o t e s t a n d r e s i s t s t r e n gt h t e s t a nd v ol ume r e s i s t i v i t y t e s t wi t h v a r i ou s c o n t e n t s of gr a phi t e The pr o p e r t i e s i n c l u di n g e l e c t r i c he at i n g， t e m p e r a t u r e s m a r t ， hu mi d s ma r t a nd pr e s s s ma r t we r e t e s t e d a l s o Th e r e s ul t s h ows t ha t t he c on t e n t of g r a ph i t e i n c r e a s e t he de ns i t y a n d s o p r a t i o a n d r e s i s t s t r e n g t h a nd v ol u me r e s i s t i v i t y b e c o me e l e v a t i o n Ke y wo r d s： c e me nt ； g r ap hi t e； v o l u me r e s i s t i v i t y