改性石墨对蓄热混凝土的性能影响研究

朱建在，荆汝林，邱河梅，成 斌，朱教群，周卫兵，孙 正

（1.中广核太阳能开发有限公司，北京 100048；2.武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070）

中国是一个发展中大国，又是一个建筑大国，每年新建房屋面积高达17～18亿m2，超过所有发达国家每年建成建筑面积的总和。随着全面建设小康社会的逐步推进，建设事业迅猛发展，建筑能耗迅速增长［1］。

国民经济要实现可持续发展，推行建筑节能势在必行、迫在眉睫。中国建筑用能浪费极其严重，而且建筑能耗增长的速度远远超过中国能源生产可能增长的速度，如果听任这种高耗能建筑持续发展下去，国家的能源生产势必难以长期支撑此种浪费型需求，从而不得不被迫组织大规模的旧房节能改造，这将要耗费更多的人力物力。在建筑中积极提高能源使用效率，就能够大大缓解国家能源紧缺状况，促进中国国民经济建设的发展［2］。因此，建筑节能是贯彻可持续发展战略、实现国家节能规划目标、减排温室气体的重要措施，符合全球发展趋势［3］。

混凝土作为现行建筑中用量最大的建筑材料，其节能效率直接关系到整个建筑的节能效果。因而研究蓄热混凝土材料具有重要的现实意义和应用前景［4，5］。

目前储热材料根据其储热过程不同可分为：显热储热材料，相变材料、化学反应储热材料三大类。其中，相变材料包括：固—液相变、液—气相变、固—气相变和固—固相变材料四类［6］。作为应用的蓄热材料，其要求满足以下几点要求：（1）储热密度大。对显热储热材料要求材料的热容大；对潜热储热材料要求相变潜热大；对于化学反应储热材料要求反应的热效应大。（2）稳定性好。对单组分材料要求不易挥发和分解；对多组分材料，要求各组分间结合牢固，不能发生离析现象。（3）无毒、无腐蚀、不易燃易爆，且价格低廉。（4）导热系数大，能量可以及时的储存或取出。（5）不同状态间转化时，材料体积变化要小。（6）具有合适的使用温度［7，8］。

根据前期研究成果，对蓄热混凝土材料进行改性研究，研究其中组分对蓄热混凝土的性能影响。

1 材料制备

1.1 原材料

该实验采用遵义县鸭溪盛华水泥有限公司生产的铝酸盐铝CA－80水泥作为胶凝材料。集料为玄武岩（3～5mm）以及热容较高的棕刚玉（1～3mm）、棕刚玉（0～1mm）料。陕西某公司生产的纯度99%的硅微粉、纯度95%的矾土粉、铝微粉，均全部通过80μm标准方孔筛。采用自制的高效减水剂，减水率为20%。碳化硅为化学纯，200目。钢纤维为20mm长的耐火钢纤维。石墨粉为上海国药生产，纯度≥99.85%。碳纤维长度为5mm，在450℃的箱式节能电阻炉中保温2h后冷却备用。

石墨粉的改性：取模数m＝2.2～2.5的水玻璃加入适量的水将其调成体积浓度20%左右的溶液，将称量好的石墨粉加入水玻璃溶液中，加入1.0g十二烷基苯磺酸钠，在80℃恒温水浴锅中保温并搅拌3h，待反应完成后，用蒸馏水反复洗涤3遍，然后放入烘箱中干燥冷却后备用。

1.2 实验配合比设计

试验在前期研究的蓄热混凝土基础上进行研究，蓄热混凝土配比见表1。

表1 蓄热混凝土配比 w/%

1.3 测试方法

储热混凝土的力学性能测定依据《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671—1999）。按照规定进行测定。

导热系数测定依据《非金属固体材料导热系数的测定－热线法》（GB/T 10297—1998），使用检测设备为QTM－500导热系数测试仪，检测条件为加热电流：I2＝6.0～9.0，测试环境：室温22℃，湿度36%。

2 实验结果及讨论

2.1 样品力学性能测试

将原材料按照表1配比进行拌合制样，将搅拌好的混合料倒入40mm×40mm×160mm钢模中，放置振动台上1～2min后刮平表面。先在标准养护条件下养护1d，然后脱模，放入电热恒温鼓风干燥箱中（80±5）℃干燥处理2d，最后在110℃烘箱内烘烤1d。取出试样进行抗压和抗折性能测试。检测结果见表2。

表2 力学性能结果 /MPa

根据上述的数据可以看出，对比发现掺加3%改性石墨粉的混凝土的抗折强度比掺加未改性的石墨粉的混凝土强度约下降了30%，同样其抗压强度也比掺加未改性石墨粉的抗压强度下降23%。分析原因主要为石墨粉吸水性比较大，在混凝土中吸收大量水，导致整个混凝土的水灰比降低，而水灰比是影响混凝土强度的最重要指标，因而掺加未改性石墨粉的混凝土强度比掺加改性石墨粉混凝土强度要高。

2.2 样品相同流动性条件下力学性能测试

将原材料按照表1中的配比进行混凝土的拌合，然后进行跳桌实验，测得其流动度为230mm。然后将改性的石墨粉等质量替换未改性的石墨粉，然后调试单位用水量，使其流动度为230mm，经过多次实验，最后得出所需用水量为5.5%，说明改性石墨粉能够有效减少混凝土的单位用水量。将原材料按照表1中的配比进行混凝土拌合，其中掺加3%石墨粉试样用水量为7.2%，而掺加3%改性石墨粉的试样用水量为5.5%，试验方法与3.1中力学性能测试中一致，测试结果见表3。

表3 力学性能结果 /MPa

根据上述的数据可以看出，从相同流动性条件下混凝土力学性能结果对比发现掺加3%改性石墨粉的混凝土的抗折强度比掺加未改性石墨粉的混凝土强度约提高了22%，同样其抗压强度也比掺加未改性石墨粉的抗压强度增加了26%。而相对于在相同用水量条件下，其抗折强度提高了75%，抗压强度提高了64%。根据试验结果分析可知，掺加改性石墨粉能提高混凝土的强度和流动性。分析原因主要为改性石墨粉减少了对水分的吸收，降低了水灰比，而水灰比是影响混凝土强度的最重要指标，因而在相同流动性条件下掺加改性石墨粉的混凝土强度比掺加未改性石墨粉混凝土强度要高。

2.3 宏观结构分析

在相同流动性条件下制备的试样经过破坏试验后取出，进行观察，其破坏后截面见图1和图2。

分析截面可知，掺加未改性石墨粉和改性石墨粉的混凝土破坏后截面裂纹和断裂面相似，用手碾压其断裂面时，掺改性石墨粉的混凝土的断裂面集料脱落的情况明显小于掺未改性石墨粉的混凝土。通过肉眼观察，掺改性石墨粉混凝土破坏后的断裂面气孔少于掺未改性石墨粉混凝土，且掺未改性石墨粉的混凝土破坏后截面的气孔孔径要大于掺改性石墨粉的混凝土。

2.4 导热系数

热导率是衡量储热材料一个重要指标参数。测试的方法为传统的平板法，测试结果见表4。

表4 导热系数结果 /（W·（m·K）－1）

分析得制备的储热混凝土，掺加未改性石墨粉的混凝土导热系数为2.76W/（m·K），而掺加改性石墨粉的混凝土导热系数为2.54W/（m·K），降低幅度为8%。主要原因为改性的石墨粉表面包覆一层SiO2，而SiO2的导热系数较低，在掺加改性石墨粉的混凝土中，SiO2起着一层隔热作用，阻碍了石墨粉导热性能的发挥，导致其导热系数降低，但是由于用水量减少，体系密实度提高，其导热系数减低幅度并不明显，与掺未改性石墨粉的混凝土的相差不大。

2.5 吸湿性能比较

吸湿性能是影响混凝土蓄热性能的一个重要指标。测试的方法为将养护好的试样先在110℃烘箱中烘干至恒重，然后称其质量，再将试样放在20℃的水中浸泡24h，然后取出擦干表面水分，称其质量。根据该方法记录测试结果见表5。

表5 吸湿性能结果比较 /g

根据表4中比较掺加未改性石墨粉和改性石墨粉混凝土的吸湿性能发现，掺加3%未改性石墨粉的混凝土，其吸湿率达到5.0%，而掺加3%改性石墨粉的混凝土，其吸湿率为2.6%。根据结果比较可知，掺加改性石墨粉的混凝土能够有效减少对水分的吸收，主要原因为改性的石墨粉表面包覆一层SiO2，而SiO2为无机物，不吸收水分，在掺加改性石墨粉的混凝土中，SiO2起着阻隔作用，阻碍了混凝土吸收外部水分。

3 结 论

采用特殊方法改性石墨粉，然后掺加到混凝土中，研究石墨粉改性前后对混凝土性能的影响，主要为强度、导热性能、吸湿性能。通过结果比较分析可知，在原材料相同，制备工作性能相同的混凝土，掺加改性石墨粉的混凝土强度要大于掺加未改性石墨粉的混凝土强度，其抗折强度提高了22%，抗压强度提高了26%。而导热系数有一定程度的降低，但是仍然有2.54W/（m·K），具有优异的导热能力，其吸湿性却小于掺加改性石墨粉的混凝土。说明改性的石墨粉表面为一层SiO2薄膜，在混凝土中可以起到减少用水量，提高强度，密实度、防水等作用。结果说明，掺加改性石墨粉具有优异的实用性，具备良好的应用价值。

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