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Cement Concrete Compos. ：二维MXene对水泥浆体电导率影响

题目

Effect of two-dimensional MXene on electrical conductivity ofcement pastes

二维MXene对水泥浆体电导率影响

关键词

水泥浆体；MXene；电导率；渗透区；抗压强度

来源

出版年份：2023年

来源：Cement and Concrete Composites

课题组：河海大学力学与材料学院蒋林华课题组

研究背景

压电陶瓷、电阻应变仪等传感器对混凝土结构损伤进行监测时，易受外部环境影响，且通常与水泥基体不相容，同时其工程建设和运行维护复杂、繁重。因此，需设计一种与混凝土结构具有高耦合能力的新型传感器。自传感水泥基材料是一种新型智能水泥基材料，是生产水泥基传感器（CBS）的基础。选择合适的导电组分并将其分散在水泥基体中是制备自传感水泥基材料的基础。主要导电组分可分为金属组分（铜渣、钢纤维等）和碳导电组分（碳纳米管、石墨烯等）两大类。然而，钢纤维掺入水泥基材料中，通常会导致水泥基材料和易性和同质性下降。另外，钢纤维或炉渣表面会逐渐形成钝化膜，导致其电导率下降。对于碳导电组分，当掺入量低时，其无法显著降低水泥基质电阻。此外，碳导电组分易团聚。尽管使用化学分散剂或化学改性提高了碳导电组分分散性，但降低了其电导率。因此，需开发高电导率高分散性的导电组分，在低掺入量时即可提高水泥基材料的电导率和力学强度。

研究出发点

与其他二维材料相比，MXene具有电导率高（达10⁴S/cm）、力学强度高、比表面积大、亲水性和分散性好等优点。然而，尚无研究采用MXene提高水泥基材料电导率。

研究内容

本文首次研究了二维MXene对水泥浆体电导率影响。具体而言，制备不同MXene掺量的水泥浆体，采用四探针法研究其渗透阈值，并用电化学阻抗谱（EIS）检测其导电行为；采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和压汞法（MIP）对各浆体的微观结构、水化产物和孔隙率进行表征。

表1不同浆体配合比

图1 水泥浆体及试件制备流程示意

图2 不同浆体的Nyquist图

图3 不同浆体的等效电路

图4 不同浆体EIS测量和拟合结果

图5 不同水泥浆体在3、7和28 d龄期时的电阻率

图6 渗流方程与不同龄期试验数据拟合

图7 MXene掺入量对3、7和28 d水泥浆体抗压强度的影响

图8MXene掺入量为（a）0.3、（c）0.7和（d）2.0 wt.%的水泥浆体SEM以及（b）MXene掺入量为0.3 wt.%的水泥浆体EDS谱

图9不同浆体的XRD

图10 不同浆体的（a）孔直径分布和（b）孔隙率

主要结论

本文主要研究了MXene对水泥浆体电导率和抗压强度的影响，并通过微观结构分析其潜在机制。

（1）四探针试验表明，水泥浆体电阻率受MXene掺入量影响，其变化符合渗流理论，渗透阈值约为0.463 wt.%，受龄期影响不显著。

（2）EIS结果表明，Nyquist图上的高频圆弧直径在MXene掺入量为1.0 wt.%时达到最大值；高频和低频曲线交点处电阻（Rtest）对应于直流电阻（RDC），比例系数为3.17；水泥浆体电导率受孔隙率影响：孔隙率降低使水泥浆体导电行为从电容转变为电阻。

（3）随MXene掺入量增加，水泥浆体抗压强度呈现先微增后降低的趋势，在MXene掺入量为0.5 wt.%时，抗压强度达到最大值；当MXene掺入量为0.7 ~ 1.0 wt.%时，水泥浆体具有优良的电导率和较高的抗压强度。

（4）SEM分析表明，MXene团块在渗透区逐渐形成，为电子传递提供了通道；当MXene掺入量增加至导电区时，MXene团块形成MXene链，水泥浆体电阻保持在较低水平。

（5）XRD和MIP结果表明，MXene的掺入对水泥浆体水化产物类型的影响可忽略不计，对水化程度和水化速率影响较大；当MXene掺入量为0.7 ~ 1.0 wt.%时，水泥浆体有害孔隙比例最低、水化产物量最大。

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