干湿循环与冻融循环对导电水泥基复合材料性能的影响及机理研究

本研究针对导电水泥基复合材料(ECCC)在干湿(D-W)循环和冻融(F-T)循环环境下导电性能退化问题，通过引入碳黑(CB)、碳纳米管(CNT)和钢纤维(SF)构建导电网络，结合SEM/XRD/MIP多尺度表征技术，揭示了水化产物偏析和导电掺合料流失的降解机制，为提升ECCC在极端环境下的稳定性提供了理论支撑。

　　

随着城市化进程加速，具有自感知、电磁屏蔽等功能的导电水泥基复合材料(ECCC)在智能基础设施领域应用广泛。然而在实际应用中，ECCC常面临干湿交替(D-W)和冻融循环(F-T)等极端环境挑战，这些复杂环境因素会导致材料导电性能显著退化，直接影响其作为道路融雪、结构健康监测等关键功能的可靠性。尽管已有研究关注单一环境因素（如温度或湿度）对ECCC的影响，但对复合环境作用下性能退化机制的认识仍存在空白。

为攻克这一难题，广西大学的研究团队在《Materials Today Communications》发表了创新性研究成果。该研究通过系统设计含不同比例碳黑(CB)、碳纳米管(CNT)和钢纤维(SF)的ECCC试样，采用加速老化实验模拟120次D-W循环和F-T循环，结合多尺度表征技术揭示了性能退化规律。研究发现，环境循环作用会导致试样表面颜色变浅并产生微裂纹，质量损失率和电阻率均呈现"缓慢-加速"的两阶段增长特征。值得注意的是，孔隙率增加但未生成新矿物相，抗压强度先增后降而抗折强度持续降低。机理研究表明，导电网络退化主要源于水化产物偏析效应和导电掺合料的物理流失。

关键技术方法包括：采用标准砂和PO42.5硅酸盐水泥制备基体，通过掺入CB/CNT/SF构建三维导电网络；利用扫描电镜(SEM)观察微观形貌演变，X射线衍射(XRD)分析物相组成，压汞测孔(MIP)量化孔隙结构变化；通过四电极法测量电阻率，万能试验机测试力学性能。

【外观和重量变化】
宏观观察显示，经120次循环后试样出现钢纤维腐蚀痕迹和明显褪色，但未发生结构性破坏。质量损失曲线呈现"抛物线型"增长，F-T循环的破坏效应强于D-W循环。

【导电性能退化机制】
研究提出三重导电路径理论：水泥基体位移电流、导电掺合料直接接触通路、相邻掺合料间的量子隧穿效应。环境循环会破坏导电网络完整性，但增加掺合料含量可补充受损网络，CNT含量0.6%的试样电阻率增幅最小（D-W循环后仅升18.7%）。

【微观结构演变】
SEM显示循环作用导致CB/CNT团聚体分散性下降，SF与基体界面产生裂隙。MIP证实孔隙率增加1.5-2倍，孔径分布向有害孔（>50nm）迁移。XRD未检测到新物相生成，说明降解主要为物理过程。

该研究首次系统阐明了复合环境循环下ECCC性能退化规律，创新性地提出"水化产物偏析-掺合料流失"的协同退化机制。实践层面证明提高CNT掺量至0.6%可显著提升材料耐久性，为极端环境应用的ECCC设计提供了量化依据。理论层面建立的多尺度表征方法体系，为后续智能建筑材料研究提供了范式参考。这些发现对推动ECCC在寒区工程、海洋工程等恶劣环境中的应用具有重要指导价值。