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具有导电特性的水泥基复合材料研究进展

肖力光 ,  段振强 ,  王一鸣 ,  雷潭

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (5) : 72 -75.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (5) : 72-75. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.05.012
技术进展

具有导电特性的水泥基复合材料研究进展

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Research progress on cement-based composite materials with conductive properties

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摘要

从粉末导电填料、纤维导电填料、纳米导电填料等方面出发,综述了近年来国内外关于导电水泥基复合材料的研究进展,并对导电水泥基复合材料现阶段所存在的缺陷和不足给出了合理建议,最后对未来发展方向及应用前景做出了展望。

Abstract

Global research progress on conductive cement-based composite materials in recent years is reviewed from the aspects of conductive powder fillers,conductive fiber fillers,conductive nano fillers,etc.Reasonable suggestions are given in the light of the existed defects and deficiencies of conductive cement-based composites at present.Finally,the development direction and application prospects of conductive cement-based composites in the future are predicted.

关键词

导电水泥基复合材料 / 低碳环保 / 导电特性 / 导电填料

Key words

conductive cement-based composite materials / low carbon and environmental protection / conductive properties / conductive fillers

Author summay

肖力光(1962-),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为新型建筑材料,。

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肖力光,段振强,王一鸣,雷潭. 具有导电特性的水泥基复合材料研究进展[J]. , 2025, 45(5): 72-75 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.05.012

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在土木工程领域,涂料、砂浆及混凝土等水泥基复合材料,因良好的物理性能和较为低廉的成本而得到广泛应用。一般而言,水泥基复合材料在干燥状态下的电阻率为103~106 Ω·m,导电特性较差[1]。但在水泥基复合材料的制备过程中加入一定量具有导电能力的填料,可以显著降低电阻率,提升材料的导电能力,从而制备出可以应用于建筑采暖加热、建筑自检测、静电释放、电磁干扰屏蔽及道路桥梁融雪化冰等领域的导电水泥基复合材料[2-5]。
目前制备导电水泥基复合材料的导电填料为粉末状填料、纤维状填料、纳米填料及各类导电填料互相混合的多重填料[6]。通常情况下,填料的掺入使复合材料兼具导电能力的同时,其基本的力学、耐久及工作性能往往会得到进一步改善;固废填料的掺入能够降低导电水泥基复合材料的生产成本,并缓解日渐严重的环境污染问题;各类填料在水泥基复合材料中的应用可以实现性能与环保的共赢[7]。

1 粉末填料水泥基复合材料导电特性研究

粉末填料的种类、粒径、分散状态及掺量等因素对导电水泥基复合材料的导电特性有着显著的影响,不同类型的填料有着不同的导电机制与性能优势,矿渣、钢渣及各类尾矿废弃物在导电水泥基材料的应用中展现出良好的应用前景[8]。
Meng等[9]研究了钢渣粉(SSP)和粒化高炉矿渣(GBFS)对磷酸镁水泥(MPC)导电特性的影响。结果表明,掺有SSP和GBFS共混物的MPC的电导率比未掺共混物的MPC的电导率增加了3.0~3.7倍,电导率提高到9.48×10-5 S,说明掺有SSP和GBFS共混物的MPC具有成为多功能超级电容器电极材料的潜力。
Rovnaník等[10]比较了硅酸盐水泥和碱活性矿渣砂浆的电学性能,特别是电阻和电容性能,以及由此产生的自传感功能。结果表明,碱活化矿渣中存在可移动的水合钠离子和金属铁微粒,导电性能有所提高;碱活性矿渣的绝对电阻率很低,即使在不添加导电填料的情况下,碱活性矿渣也表现出足够的自传感性能。
Santillán等[11]对加入钢渣后的金属纤维混凝土的机械性能和电气特性进行了研究。结果发现,钢渣的掺入改变了样品的电学行为,并且阻抗随着施加电流频率的增加而减小。此外,与未掺钢渣的混凝土相比,电阻率平均降低了66%,导电能力提高了近70%,机械性能提高了14%。
Xue等[12]用石墨尾矿(GT)取代部分砂制备了石墨尾矿混凝土(GTC),并探究外加电压、测量电极等对复合材料电阻率的影响。实验发现,外加电压、测量电极和固化时间均对电阻率的测量结果有显著影响;混凝土的孔隙率随着养护龄期的增加而降低,从而导致空穴传导和离子传导降低,进而提高了混凝土的电阻率。此外,随着固化时间的增加,GT的加入可以降低GTC的孔隙率,从而提高GTC的电阻率。
马彬等[13]将钢渣和偏高岭土作为制备导电地聚物的主要原料并分析了钢渣掺量及养护温度对其导电特性的影响。研究发现,在不同养护温度下,钢渣掺量越多,试样电阻率越低;随着龄期的增长,温度对电阻率的影响作用减弱。此外,该复合材料的最优应变灵敏度为40.35~50.31,且当钢渣掺量为30%、养护温度为40℃时,试样压敏稳定性最优。

2 纤维填料水泥基复合材料导电特性研究

当纤维状填料(如碳纤维、钢纤维、导电聚合物纤维等)掺入水泥基复合材料后,不仅保留了传统水泥基材料的优点,还赋予其独特的电学性能,极大地拓宽了在结构健康监测、自感应加热及能源收集等领域的应用前景,对于推动智能建筑材料的发展具有重要意义[14-16]。
Oh等[17]研究了具有导电涂层超高分子质量(UHMW)聚乙烯(PE)纤维的高性能纤维增强水泥基复合材料(HPFRCC)的导电性能。实验表明,较涂覆碳纳米管和石墨的PE纤维相比,球形的银纳米颗粒涂覆最均匀且电导率最高,HPFRCC的电导率比对照样品提高了18.7%~45.1%。此外,涂层材料的涂层程度和导电率都会影响PE纤维的导电性能。
Lian等[18]通过添加不同掺量的铜包钢纤维(CCSF)作为导电填料,制备了一种用于监测高强混凝土性能的水泥基传感器。分析结果表明,纤维定向分布的水泥基传感器具有较高的导电性和较低的渗滤阈值。此外,水泥基体中排列整齐的CCSF减轻了温度对电阻率的影响,并且铜包钢纤维水泥基传感器在5~70℃之间的电阻率和温度符合Arrhenius关系。
Yin等[19]使用碳纤维及低含量的镍纳米纤维制备了碳纳米管水泥基复合材料,并用四电极伏安法研究了该复合材料的导电性和压力敏感性。结果表明,镍纳米纤维和碳纳米管能很好地在刚制成的水泥基复合材料中分散;随着碳纳米管含量的增加,水泥基复合材料的电阻率表现出典型的渗滤现象,使电阻率大幅降低;添加低含量的镍纳米纤维会使水泥基复合材料的电导率增加,但不会改变碳纳米管的渗透阈值。
Jia等[20]探究了化学镀制备镀镍碳纤维(NPCFs)对水泥基复合材料导电性和稳定性的影响。研究发现,当涂层厚度从0增加到2.25 μm时,NPCF的渗透阈值降低了50%、接触电阻从422 Ω降低到 76 Ω、180 d和28 d电阻率差异从1 170.9 Ω·cm减小到141.0 Ω·cm,表明随着涂层厚度的增加,NPCF的润湿性、分散性、粗糙度显著增强,从而提高了纤维增强水泥基复合材料的导电性及稳定性。
Tian等[21]评估了碳纤维增强导电水泥基复合材料的电性能,旨在揭示欧姆加热固化导电复合材料在寒冷地区结构健康监测中的潜力。结果表明,增加碳纤维的含量会导致混凝土成本提高且显著降低强度;一定量的碳纤维与防冻剂组合使用能够稳定电导率,并且具有相当的电性能,应变系数和线性度大幅提高,表明自感知能力得到了改善。

3 纳米填料水泥基复合材料导电特性研究

纳米级填料(如炭黑、石墨烯、碳纳米管、纳米金属颗粒等)以高比表面积、优异的界面效应及突出的填充能力,为传统材料的性能提升开辟了新的路径。
Yan等[22]将炭黑(CB)掺入水泥基体中并模拟水泥基结构超级电容器(CSSC)内的协同关系。水泥基体固有的孔隙有利于离子传输和存储,从而提高超级电容器的效率。值得注意的是,增加CB含量、控制基体内部大孔的形成会使面积电容显著增加,从54 mF/cm飙升至2 188 mF/cm,同时电导率也明显升高(36.18 mS/cm)。
Bai等[23]通过四探针法对石墨烯/水泥纳米复合材料的电导率进行了测试,研究了石墨烯掺量、养护龄期和含水量等因素对电导率的影响。结果表明,随着石墨烯含量的增加,复合材料的电导率增大,体系的导电性取决于石墨烯在水泥基体中的分布和连接方式,当石墨烯含量超过阈值浓度时,固化龄期和含水量对体系的电导率影响不大。
Win等[24]探究了一种新型石墨烯量子材料,即超细尺度石墨烯量子点(GQD)对水泥基材料性能的影响。研究结果表明,它们的导电性和导热性随着GQD含量的增加而增加。此外,含有GQD的复合材料具有优异的物理、机械性能和抗硫酸盐侵蚀性能,这为高性能、高导电混凝土的进一步研发提供了新的选择。
Xiao等[25]研究了交流固化(ACC)对炭黑水泥基导电复合材料(CBCC)的水化、抗压强度和孔结构的影响。结果表明,ACC短时间(4 h)作用可通过提高水化温度、改善电阻率、孔隙结构和毛管吸水率等因素,大大缩短凝结时间,从而提高早期和长期抗压强度。此外,经过ACC处理后,CBCC的孔隙结构体积减小了40%,水化产物的含量也显著提高,表明ACC处理有助于CBCC水化效果的增强。
Jang等[26]研究了碳化固化方式对碳纳米管/水泥复合材料电热性能的影响。结果表明,碳纳米管的加入使复合材料对CO2的吸收水平大大提高,这是因为碳纳米管可以形成多孔结构,过多的CO2固化会降低样品的电导率及其电加热性能。此外,碳纳米管的渗透阈值对CO2吸收水平有显著影响。
Deng等[27]通过向碳纳米管(CNT)水泥基复合材料添加苯丙乳液(SAE)来解决碳纳米管赋予水泥基材料高导电性,却会增加钢材腐蚀的风险。结果表明,随着SAE的添加,碳纳米管水泥复合材料的电阻率显著增加,这是由于聚合物膜阻碍了CNT的相互接触和离子迁移。此外,由于水泥基体中CNT/SAE导电三维网络结构的形成,复合材料的压阻性能得到显著改善。
Bhagithimar等[28]通过纳米表面工程技术在废催化剂表面涂覆石墨(G-SCW),以开发可持续的导电复合材料。研究发现,掺入G-SCW能获得可以接受的和易性和凝结时间,且抗压强度在早期和后期均有所提高;当G-SCW含量为20%时,与参考混合物相比,掺入G-SCW的砂浆电阻率降低约63%,明显增强了砂浆的导电性。

4 混合填料水泥基复合材料导电特性研究

单一填料导电水泥基复合材料往往难以满足复杂多变的工程需要,不同种类导电填料的协同作用对于复合材料导电网络的形成有着积极的影响[29]。
Li等[30]以复合石墨、高炉矿渣、钢渣为主要原料,研制了27种导电胶凝复合材料(ECCC)。结果表明,石墨的掺入能大幅提高导电性能,但大大降低力学性能。当矿渣掺量为15%、钢渣掺量为20%、石墨掺量为4%时,抗折强度为3.4 MPa,抗压强度为36 MPa,电阻率为7 779 Ω·cm。此外,与矿渣相比,钢渣对材料的力学性能和导电性能有更佳的影响。
Acıkök等[31]对相变材料(PCM)和碳纤维(CF)相结合的多功能导电水泥基复合材料的性能进行了研究。研究结果表明,对PCM复合材料融冰性能贡献最大时的CF含量为混合物体积的0.1%。此外,在冻融实验中,PCM能够部分阻止由于CF引起的温度上升,但使复合材料的强度降低;CF的掺入对复合材料的可加工性和强度都产生了不利影响。
Lu等[32]将合成纳米晶石墨烯包覆的聚集体(Gr@AGs)与水泥混合构建了导电的石墨烯网络,同时加强了骨料和浆料之间的界面过渡区。因此,基于Gr@AGs的砂浆可以同时实现高导电性和优异的机械性能;Gr@AGs的积极影响通过与低百分比的碳纤维相结合而进一步增强;优化后砂浆的 28 d抗压、抗弯强度分别提高了12.2%、19.4%,电阻率降低至182 Ω·cm。
Ou等[33]利用炭黑、碳纳米管和钢纤维作为导电掺加剂,开发了一种用于接地系统的经济高效的水泥基复合材料。结果表明,添加5%炭黑、0.3%碳纳米管(按水泥重量计)和0.6%钢纤维(按复合材料体积计)可将复合材料的电阻率在28 d后从 5 568 Ω·cm降低至310 Ω·cm。在实验室环境下,自然干燥90 d后降至267 Ω·cm。此外,该复合材料的电阻率在-20~50℃的环境下变化小于5%。
Zhao等[34]将石墨掺量固定在20%,研究制备了不同碳纤维含量的自传感水泥基复合材料(SCC)。研究发现,当碳纤维体积分数为0.6%时,可显著改善石墨改性水泥基SCC的机械性能、导电性和压阻性能,在弹性范围内的循环压缩载荷作用下,电阻率可降低76.8%,应变敏感系数为1 300。
Wang等[35]研究使用碳纤维和膨胀石墨作为导电材料,通过在阳极内建立“多尺度”导电网格来降低水泥基阳极的电阻率,同时使用矿渣增强阳极抵抗氯化物侵入的能力。结果表明,矿渣含量与水泥基阳极的电阻率存在反比关系;矿渣的最佳掺量为20%,此时碳纤维膨胀石墨导电砂浆的电阻率下降了2.75%;且由于矿渣的火山灰作用,水泥基阳极的抗氯离子能力得到增强,可以实现阴极保护系统的稳定运行。

5 问题探讨及展望

具有导电特性的水泥基复合材料已经在多个领域展现出巨大的应用前景,但影响水泥基复合材料导电性的因素众多,材料的稳定性尚未得到良好的控制,所以现阶段导电水泥基复合材料并未进行规模化生产与应用。
目前制约导电水泥基复合材料规模化生产和应用的主要因素包括:某些导电填料(如碳纤维等)的价格较为昂贵,不符合经济和使用要求;不同类型的导电填料在混合料中的掺量选择、分散均匀程度不同,导致制品性能参差不齐,综合利用难度较大;不同种类导电填料与水泥基材料界面结合、化学兼容类型不同,传统的性能特点与导电性的平衡选择较为困难;对导电水泥基复合材料的测试方法、导电网络的形成机理等理论体系了解不够深入,理论成果暂时无法全部转化到实际生产当中等。
今后要加强对导电水泥基复合材料的配方改良及配套设备等方面的研发,提升材料的综合性能、降低生产成本,进一步提高导电水泥基复合材料的应用价值。此外,由于导电填料的种类众多,每种填料的性能优势各不相同,还需对导电填料的具体特性展开相关研究,使其能更好地应用于导电水泥基复合材料领域。

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