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碳系地聚物导电复合材料结构性能研究

摘要

水泥基材料作为传统的建筑材料，在推动社会经济发展的同时，也因其生产过程

中产生的大量有害气体，为生态环境带来严重的威胁。地聚物胶凝材料生产工艺简单、

耐腐蚀性能优良、资源丰富，并且其力学性能等指标均优于普通水泥基材料；同时地

聚物胶凝材料中存在大量游离的碱性离子，在材料导电性能方面具有天然的优势，因

此在地聚物胶凝材料中加入碳系导电材料使其具备优良的压敏性能，从而实现结构的

健康监测具有重要意义。碳纤维具有强度高、模量大、比重小、导电导热性好的优势，

炭黑具有成本低、导电性好、比表面积大等优点；以碳纤维和炭黑作为导电填料制备

地聚物导电复合材料，使其具备良好的自感应性能，可有效监测结构的健康状况。

本文通过试验研究，阐明了粉煤灰-矿渣基地聚物硬化浆体、单掺碳纤维地聚物硬

化浆体和复掺碳纤维—炭黑地聚物硬化浆体的物理力学性能、电阻率、压敏特性和温

敏特性的变化规律，并结合纳米压痕、扫描电镜（SEM）和X-射线衍射（XRD）等表

征手段分析材料微观结构机理。通过系列试验，得出以下结论：

（1）当水胶比0.35、水玻璃模数1.2、粉煤灰与矿渣比例3:7时，28d龄期试件

的抗压和抗折强度分别为62.6MPa和5.2MPa；结合纳米压痕表征结果分析可知，胶

凝产物的弹性模量和硬度范围均在14-50GPa和0.4-2.0GPa之间，同时随着龄期的增

长，多孔（PP）相、低密度C-S-H（N-A-S-H）相和高密度C-S-H（C-A-S-H）相的弹

性模量、硬度和体积分数均呈下降趋势，而超高密度C-S-H（UHDC-S-H）相呈上升

趋势；结合SEM表征结果分析可知，地聚物硬化浆体反应前期有大量未水化的粉煤灰

颗粒，后期粉煤灰颗粒明显减少；结合XRD表征结果分析发现3d龄期时，2θ在29°

左右出现SiO2晶体相的主峰，7d和28d龄期时，2θ在15~43°范围内出现莫来石等晶

体相的弥散形宽峰。

（2）单掺碳纤维地聚物硬化浆体在碳纤维（CF）掺量为0.2V%时，其28d龄期

的抗压和抗折强度分别为75.1MPa和6.7MPa，且电阻率达到渗流阈值，为268.53Ω·cm；

CF掺量为0.2V%~0.4V%时，试样具有良好的压敏性能；硬化浆体电阻率前期随温度

升高而迅速下降，后期随温度升高呈缓慢下降趋势；结合纳米压痕表征结果分析可知，

胶凝产物N-A-S-H相和C-A-S-H相随着龄期的增长逐渐增多；结合SEM表征结果分

析可知，碳纤维的加入在基体内部形成了离子导电和电子导电共同组成的新导电网络

形式。

（3）复掺碳纤维（掺量0.2V%）-炭黑地聚物硬化浆体在纳米炭黑（CB）掺量为

0.8V%时，试样在28d龄期时的抗压和抗折强度分别为70.3MPa和7.8MPa，电阻率

为92.53Ω·cm；CB掺量为0.8V%时，电阻变化率明显提高，值为-18.2%，数据曲线

相对光滑，压敏稳定性较好；复掺地聚物硬化浆体随温度升高，电阻率整体呈先降低

再上升而后急速下降的变化趋势；结合纳米压痕和SEM表征结果分析可知，N-A-S-H

和C-A-S-H凝胶的减少主要是炭黑包裹了反应原料，阻碍了水化反应的进行，同时，

炭黑填充至基体孔洞中，形成新的离子导电和隧道效应导电方式，增强硬化浆体的导

电特性。

关键词：地聚物胶凝材料；电阻率；压敏性；温敏性；纳米压痕

Studyonthestructuralpropertiesofcarbonbasedgeopolymer

conductivecompositematerials

Abstract

Asatraditionalbuildingmaterial,cement-basedmaterialsnotonlypromotesocialand

economicdevelopment,butalsoposeaseriousthreattotheecologicalenvironment