石墨纳米材料对混凝土性能影响研究

王 军

（厦门大学嘉庚学院，福建 龙海 3636105）

混凝土广泛用于各种建筑物当中，而沥青混凝土又广泛用于路面、桥面、机场道路及相关结构，这些结构往往对于自身自重，耐久性，较低的成本有一定的要求。近年来对于一些环境的沥青混凝土更是提出了智能结构的需求，但是包括沥青混凝土在内的混凝土材料被认为是绝缘聚合物。因此在绝缘聚合物基体中加入导电粉末是提高复合材料导电性的一种理想方法。在沥青路面中加入一定的导电粉末或者一定的复合材料对于导电除雪也被认为是理论可行的，导电的石墨纳米材料的出现使得这一想法变的更加可行。

碳纳米管（CNT）、碳纳米纤维（CNF）和石墨纳米板（GNP）等石墨纳米材料提供了与水泥水合物相互作用的大比表面积。石墨纳米材料的加入将颗粒物的尺寸范围扩大到纳米尺度，有利于颗粒在新拌混凝土中的堆积和硬化混凝土材料的工程性能。本文介绍了近期石墨纳米材料的加入对混凝土的相关性能提高的一些研究进展。

R Rao,J Fu 等[1]研究了一种具有一定导电性能的混凝土。电加热混凝土是一种含有导电成分的特殊混凝土，可实现稳定的导电。由于其电阻，一个薄的电热混凝土覆盖层可以产生热量，以防止混凝土路面上的结冰时，连接到电源。这种电加热混凝土除冰技术首次在中国大规模实施。钢纤维和石墨被用于导电填料制造，实验中在哈尔滨市进行，利用现有两个停车坡道顶部现浇9 cm 厚电热混凝土层。东坡长41m，宽5.6m，北坡长41m，宽7.6m，均为15%的陡坡。每个停车坡道上的临时设施分为20 个部分。电热混凝土覆盖层现浇。电源采用220 伏交流电转换为48 伏交流电的变压器。在电热混凝土中嵌入了角钢作为电极。施工期间，从电极上拔下了一些电线。结果，每个匝道上几个区域的电力都被切断了。手持磁场计用于排除断开位置的故障。根据磁场强度的测量，检测硬化混凝土中所有断开的电线，并将其重新连接到电极上。钻孔用碳水泥浆修补。随后的测试表明，良好的加热性能得到了成功的恢复。

RuiRao 等[2]对室外融雪和室内辐射采暖专用混凝土钢纤维石墨（SGEHC）电加热专用混凝土的热性能进行了试验研究。实验测定了该混凝土的密度、比热容和导热系数。结果表明，钢纤维石墨混凝土是一种孔隙率为11.7%的多孔材料，钢纤维石墨的加入对密度、导热系数有很大影响，但对其比热容的影响有限。因此，提出以钢纤维、石墨、普通混凝土和空气四相复合材料，同时进行平行和串联传热的密度模型和热导率模型。结果表明，预测结果与实验结果吻合较好。

Liu,Xiaoming 等[3]通过间接拉伸试验，测定了石墨和碳纤维改性沥青混凝土的力学性能和电学性能。试验结果表明，沥青混合料的力学性能受石墨、碳纤维等导电组分的加入影响，当石墨含量从0%提高到22%时，稳定度从12.8 kn 下降到9.43 kn，残余应力从12.8 kn 下降到9.43 kn。能力从91.1%到87.2%。车辙动力稳定性由3318 次/mm 降至2619 次/mm。加入碳纤维后，当碳纤维含量从0%增加到2%时，其稳定性和残余稳定性从12.8 kn 增加到13.5 kn，残余稳定性从91.1%增加到92.7%。动力稳定性由3318 次/mm 提高到3403 次/mm。通过石墨与碳纤维混合填料的复合改性，使其力学性能和电学性能有了很大的提高，稳定性和残余稳定性由9.43 kn 提高到12.1 kn，残余稳定性由87.2%提高到89.2%。车辙动力稳定性由2619 次/mm 提高到3292 次/mm。另外，弹性模量受石墨加入量的影响，弹性模量值与原材料相当，石墨体积分数为30%时为90%，石墨体积分数为45%时为70%。无论是在动态间接拉伸试验还是静态间接拉伸试验中，随着拉伸应变的增大，电阻都会可逆地增大，石墨和碳纤维改性沥青混凝土是应变自监测的有效材料。可以预见，应变-应力自监测对于称重、交通监测、边界监测和结构振动控制都具有重要的应用价值。

AmirpashaPeyvandi 等[4]认为：石墨纳米材料增强水泥基材料是建立在用微尺度纤维增强水泥基材料的既定实践基础上的，并且是对这些实践的补充。在已达到工业规模生产的石墨纳米材料中，石墨纳米板为混凝土的应用提供了良好的经济性。石墨纳米板的平面几何结构是这种纳米材料的另一个显著特征，有利于增强混凝土的运输和耐久性。为了确定石墨纳米板对侵蚀性生活污水管道耐久性的影响，进行了一项实验研究。随后进行了实验室研究，以工业规模生产含有石墨纳米板和/或微型聚乙烯醇（PVA）纤维的混凝土管道。特别关注了石墨纳米板在混凝土中的分散和界面作用。为此，用聚电解质对纳米表面进行改性，在加入混凝土之前，首先将改性纳米板分散在一定比例的混合水中。通过添加改性石墨纳米板，显著改善了混凝土管道的输送性能和耐久性。这些改进可归因于石墨纳米板的紧密间距和高比表面积，这有效地阻碍了水分和侵蚀性化学物质在混凝土中的吸附，并控制了侵蚀性暴露下微裂纹的生长。

WeinaMeng 等[5]研究了石墨纳米板和碳纳米纤维对超高性能混凝土力学性能的影响。采用0.5%钢微纤维、5%硅灰和40%粉煤灰组成的非专利超高性能混凝土混合物。纳米材料的含量为胶凝材料的0-0.3%（按重量计）。采用优化的表面活性剂含量和超声波技术对纳米材料进行分散，以确保在超高分子量聚乙烯混合物中均匀分散。随着纳米材料含量从0%提高到0.3%，拉伸强度和吸能能力分别提高56%和187%，弯曲强度和韧性分别提高59%和276%。在0.2%的GNPS 条件下，UHPC 在拉伸和弯曲方面表现出“应变硬化”。