史建華，趙建國，趙 仁，胡雙啟，郭 永

(1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西太原030051;2.山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009;3.山西大同大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山西大同037009)

水泥廣泛用于建筑行業(yè)，但因其幾乎為絕緣體，故在其他領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制.若在水泥中添加一定量的導(dǎo)電組分將會形成具有導(dǎo)電性能的水泥基復(fù)合材料，則可以應(yīng)用于工業(yè)防靜電、電力工業(yè)防災(zāi)減災(zāi)、電力接地模塊、智能建筑等領(lǐng)域［1-2］.傳統(tǒng)的電力接地模塊多以鍍鋅角鐵扁鋼、銅板做材質(zhì)［3］，具有造價高、耐腐蝕性差、易年久失效等諸多不足.如何制備出接地效果明顯、耐久性好、無污染、經(jīng)濟適用的接地模塊成為電力行業(yè)亟待解決的課題.目前，國內(nèi)外對導(dǎo)電水泥基材料的研制主要是在水泥中含加導(dǎo)電組分，如碳纖維、鋼纖維、石墨等［4-5］.國內(nèi)對碳纖維、鋼纖維基水泥導(dǎo)電材料做了大量的研究，主要集中在纖維材料的選擇，纖維基水泥材料的抗?jié)B試驗，導(dǎo)電性、力學(xué)性能及化學(xué)性能方面的研究，得出了很多有意義的結(jié)果［6-9］.但是，對于以石墨為導(dǎo)電相制備導(dǎo)電水泥接地模塊的相關(guān)研究還較少.本文采用擠壓振動成型法制備了含石墨導(dǎo)電水泥復(fù)合材料，考察了石墨含量對材料電阻率、抗壓強度、抗折強度及干密度的影響，旨在為高性能、非金屬導(dǎo)電材料的制備提供實驗依據(jù).

1 石墨-水泥導(dǎo)電接地模塊制備工藝

1.1 原材料

普通硅酸鹽水泥，大同市恒建有限責(zé)任公司生產(chǎn)，P.O42.5;石墨細粉，大同新成新材料股份有限公司提供.

1.2 配合比設(shè)計

對于導(dǎo)電接地模塊的應(yīng)用，一方面既要滿足工程對其導(dǎo)電性能的要求，同時還要滿足工程對其強度和便捷性的要求.因此，本文以這三方面為出發(fā)點進行導(dǎo)電接地模塊配合比設(shè)計，設(shè)計方案如表1所示.

表1 含石墨水泥導(dǎo)電接地模塊物料配合比Tab.1 The mix proportion of conductive cement doped with graphite for grounding module

從表1可見，石墨、水泥和細砂的總量固定不變，為了保持漿料相同的流動度，在配制漿料時將所需水量隨著石墨含量的增加而逐漸增加.實驗通過往水泥漿料中添加不同含量的石墨細粉來制備導(dǎo)電接地模塊，并對其電阻率、抗壓強度、抗折強度及干密度進行測試、分析，從而優(yōu)選出具有最佳力學(xué)性能和電學(xué)性能接地模塊的制備條件.

1.3 試件制作要求與步驟

1.3.1 試件制作要求

試件制作前模具壁上不得有異物和浮灰，要徹底清洗模具并干燥.試樣倒入模具前要在模具內(nèi)表面刷一層油，但不能出現(xiàn)油流淌和匯集的現(xiàn)象，以確保試樣不粘模為宜.

1.3.2 試件制作步驟

以石墨、水泥和細砂為主料，在固定石墨和細砂總質(zhì)量不變的前提下，通過調(diào)變石墨在整個基體材料中的質(zhì)量百分含量，制備了7種不同石墨含量的水泥基接地模塊試件.按表1中的配合比稱好(或量好)實驗所需的石墨、水泥、細砂和水，先將干料倒入攪拌鍋中，低速干攪拌約10 min;然后邊攪拌邊加入量好的水，高速攪拌約15 min;用勺子分批取出部分漿料在模具中進行分層擠壓，直至填滿模具，而后放在水泥膠砂振動臺上振動約10 min至材料表面平整成型.編號放入養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 h后脫模，脫模后繼續(xù)養(yǎng)護26 d，干燥后用切割鋸加工成設(shè)計尺寸160 mm×40 mm×40 mm，進行性能測試.

1.4 試驗方法

1.4.1 電阻率測試

采用臺灣固緯電子有限公司生產(chǎn)的GOM-802型直流毫歐表進行測試.先用直流毫歐表對養(yǎng)護28 d的復(fù)合材料進行電阻測試，再計算材料的電阻率.

1.4.2 干密度測定

將養(yǎng)護28 d的試樣從恒溫恒濕標準養(yǎng)護箱中取出后，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，30℃ 下恒溫24 h，60℃ 下恒溫24 h，再在90℃ 下烘至恒重，測定其體積和質(zhì)量，計算出其干密度.

1.4.3 抗壓強度測定

采用湘潭市儀器儀表有限公司生產(chǎn)的SGY-Ⅱ型智能抗壓強度試驗機對材料進行抗壓強度測試.計算上述稱至恒重試樣的受壓面積，采用正面加壓的方式連續(xù)而均勻地對試樣進行加荷，直至破壞，記錄破壞荷載.按公式(2)進行抗壓強度計算.

式中:R為試樣抗壓強度，MPa;P為破壞荷載，N;F為受壓面積，mm2.

1.4.4 抗折強度測定

采用湘潭市儀器儀表有限公司生產(chǎn)的SGY-Ⅱ型智能抗壓強度試驗機進行材料抗折強度測試.抗折強度按公式(3)進行計算.

式中:Rf為試樣抗折強度，MPa;b為試件截面的寬度，mm;L為下支撐圓柱的中心間距，mm;Ff為折斷時施加于試件上部和中部的荷載，N.

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨含量對石墨-水泥導(dǎo)電接地模塊導(dǎo)電性能的影響

石墨-水泥導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性能是用材料的電阻率大小來衡量的.電阻率越小，材料的導(dǎo)電性能越高.石墨含量與導(dǎo)電水泥導(dǎo)電性能的關(guān)系曲線如圖1所示.

圖1 石墨含量和電阻率的關(guān)系曲線Fig.1 Content of graphite and resistivity curve

由圖1可知，隨著石墨含量的增加，石墨-水泥復(fù)合材料的電阻率呈下降趨勢.當石墨含量在25%～30% 的范圍內(nèi)變化時，電阻率陡然從1.124 6 Ω·m 下降到 0.402 5 Ω·m;當石墨含量由30%～50% 變化時，電阻率雖有下降，但較前面變化平緩.當石墨含量為50% 和55% 時，材料的電阻率接近，無明顯變化.這說明當石墨含量較小時，導(dǎo)電材料中的導(dǎo)電粒子數(shù)量少，不足以形成導(dǎo)電鏈子，所以電阻率很高;當石墨含量增加到一定程度時，石墨粒子在水泥基體中形成相互連通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)電能力有了明顯提高;繼續(xù)增加石墨含量，導(dǎo)電能力變化微弱，說明此時已達到石墨滲濾閾值［10-11］，對電阻率的降低無顯著促進作用.

2.2 石墨含量對石墨-水泥導(dǎo)電接地模塊力學(xué)性能的影響

對不同石墨含量的導(dǎo)電水泥進行了抗壓、抗折強度測定，結(jié)果如圖2所示.

圖2 石墨含量和抗壓/抗折強度關(guān)系曲線Fig.2 Content of graphite and compressive/flexural curve

從圖2可以看出，隨著石墨含量的增加，導(dǎo)電水泥試件的抗壓強度急劇下降.原因主要有兩方面:一是由于石墨具有良好的潤滑性，其摩擦系數(shù)小于0.1.在石墨含量較高的情況下，石墨與石墨接觸面積增大，試塊受壓時顆粒與顆粒之間的摩擦阻力減?。?2］，導(dǎo)致抗壓強度急劇下降;二是由于石墨與水泥材料的親水性不同，使得在水泥與石墨的混合過程中產(chǎn)生的界面結(jié)合力較小，隨著石墨含量的增加，這種界面結(jié)合力越來越小，從而降低了導(dǎo)電水泥試件的強度［10］.通過對試件抗折強度的測定，發(fā)現(xiàn)不同石墨含量下，抗折強度雖有降低，但不明顯.這可能是因為試件密實，折斷時施加于試件上部和中部的荷載接近，抗折強度未發(fā)生明顯變化.

2.3 石墨含量對石墨-水泥導(dǎo)電接地模塊干密度的影響

從圖3可以看出，石墨-水泥導(dǎo)電材料的干密度隨石墨含量的增加呈先減小后升高的趨勢.當石墨含量達50%時，密度最低.這是因為在石墨含量增加的同時，漿料中細砂質(zhì)量在減小，且石墨量的增加會使?jié){料需水量增大，在試件養(yǎng)護干燥后，這些水分大部分會失去，故密度減小.

圖3 石墨含量和干密度的關(guān)系曲線Fig.3 Content of graphite and dry density curve

3 結(jié)論

1)石墨-水泥復(fù)合材料的導(dǎo)電性與石墨含量有關(guān)，石墨含量越大，導(dǎo)電性能越好，但石墨含量過大會嚴重影響材料的強度，所以石墨含量也不能過大.

2)隨著石墨含量的增加，密實型石墨-水泥導(dǎo)電復(fù)合材料的電阻率和干密度雖有顯著降低，但同時也導(dǎo)致了材料抗壓和抗折強度的降低.當石墨含量為50%時，養(yǎng)護28 d后材料的電阻率為0.223 3 Ω·m，抗壓強度為 20 MPa，抗折強度為4.7 MPa，干密度為 1.73 g·cm－3，完全滿足導(dǎo)電接地行業(yè)標準.

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