氧化石墨烯在混凝土中的應(yīng)用研究進(jìn)展

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

一、引言

近年來，隨著我國(guó)工程建設(shè)的快速發(fā)展，混凝土因其原材料來源豐富、施工便利、強(qiáng)度高和成本較低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被大規(guī)模應(yīng)用于各項(xiàng)工程建造中。然而，混凝土材料由于其脆性大而容易開裂，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度和應(yīng)變能力較差。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始研究向水泥基材料中添加納米尺寸的材料以改善其力學(xué)性能和耐久性能。石墨烯是近年來納米材料中研究的熱點(diǎn)之一，它是迄今為止已知的強(qiáng)度最高的材料，且具有優(yōu)異的光、電、熱、力學(xué)性能。在水泥基材料中加入石墨烯可改善水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，賦予水泥基材料更加優(yōu)異的性能。但石墨烯本身很難溶于水且反應(yīng)活性低，在水泥基材料中分散困難，因此水泥基材料和混凝土中多數(shù)采用氧化石墨烯(GO)作為納米增強(qiáng)材料。作為石墨烯的衍生物，GO同時(shí)具有超高的強(qiáng)度和柔韌性，其結(jié)構(gòu)為二維的單一原子層，具有較高的比表面積，表面含有大量的活性官能團(tuán)如羥基、羧基、環(huán)氧基和羰基等。這些含氧官能團(tuán)使其具有親水性以及在水中有優(yōu)越的分散性，可以和水泥基材料聚合從而大幅提高水泥基材料的各項(xiàng)性能。

二、氧化石墨烯(GO)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

作為氧化還原法制備石墨烯的中間產(chǎn)物，GO是具有羥基、環(huán)氧基、羧基以及羰基等官能團(tuán)的一種正六邊形片狀晶體結(jié)構(gòu)的單一碳原子層，能夠在橫向尺寸上延伸到數(shù)十微米，其結(jié)構(gòu)接近平面并呈現(xiàn)二維網(wǎng)狀。GO表面和層間具有多種含氧官能團(tuán)，其平面上隨機(jī)分布著大量的羥基和環(huán)氧基團(tuán)，而少量的羧基、羰基和酯基等存在于氧化石墨片層的邊緣部位，由于制備方法的差異、不同的實(shí)驗(yàn)條件以及原材料石墨的不同來源等因素對(duì)其結(jié)構(gòu)都有一定的影響，因此目前還不能確定GO的精確結(jié)構(gòu)[1]。

GO表面的含氧官能團(tuán)使得其碳層間帶負(fù)電荷，因此帶正電荷的陽離子較為容易進(jìn)入層間使得層間距增大，這樣有利于聚合物和無機(jī)納米粒子的負(fù)載。近年來，GO的復(fù)合材料發(fā)展十分迅速，因其在水中易被分散制備成納米溶液，且易與其他化合物形成插層化合物，不論是其聚合物類復(fù)合材料還是無機(jī)物類復(fù)合材料，都顯示出非常優(yōu)越的性能，在能源、電子、生物醫(yī)藥、催化及基建等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價(jià)值[2]。

三、氧化石墨烯對(duì)混凝土性能的影響

(一)力學(xué)性能。陳亞兵[3]利用2.0%摻量GO與聚羧酸減水劑的復(fù)合物制備了C60高性能混凝土并測(cè)試了其抗壓強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明28d齡期的摻加GO的試件比未摻加GO的對(duì)照組抗壓強(qiáng)度提高了15.8%，且早期強(qiáng)度增長(zhǎng)比對(duì)照組也更快。M.Devasena[4]等的研究表明GO含量為0.1%的混凝土強(qiáng)度提高最明顯，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提高了11%和4%。Liulei Lu[5]等將GO加入超高強(qiáng)混凝土中探究其影響，發(fā)現(xiàn)GO會(huì)使混凝土的流動(dòng)性能變小，但能增強(qiáng)其抗折和抗壓強(qiáng)度，其中加入0.01%含量的GO高強(qiáng)混凝土28d齡期抗壓強(qiáng)度提高了7.28%。楊文玲[6]等人的研究表明加入0.08%的GO可使混凝土28d抗壓強(qiáng)度提高5.8%。薛立強(qiáng)[7]對(duì)摻有GO的隧道襯砌混凝土進(jìn)行了抗壓和抗折性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)含量為0.03%的GO混凝土強(qiáng)度提高最明顯，其28d抗壓和抗折強(qiáng)度分別提高了30.77%和21.92%。雷斌[8]等通過對(duì)再生混凝土加入GO進(jìn)行試驗(yàn)探究，顯示再生混凝土的力學(xué)性能也隨著GO摻量的增加而提高。郭凱[9]通過對(duì)GO再生混凝土界面過渡區(qū)的微觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)特征分析，表明GO的加入能使過渡區(qū)彈性模量增加，且對(duì)新舊砂漿界面過渡區(qū)尤為明顯。

(二)耐久性能。楊文玲[6]等對(duì)GO礦渣粉末水泥混凝土進(jìn)行了抗OH-和SO42-侵蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明GO混凝土抗侵蝕系數(shù)顯著提高，這是由于GO的活性基團(tuán)OH-和COOH-中和了礦渣水泥表面的正電荷吸附在表面，使溶液中的OH-和SO42-難以侵入，從而提高混凝土的耐侵蝕性。薛立強(qiáng)[7]通過對(duì)GO混凝土進(jìn)行抗氯離子侵蝕試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)隨著GO的摻量提高，其抗氯離子侵蝕深度逐漸減小并且均勻分布，表明GO對(duì)混凝土材料抗氯離子性能有明顯的提高。雷斌[8]等對(duì)含有GO的再生混凝土進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果表明GO摻量在0.02%～0.06%之間的再生混凝土抗凍性能有提高。杜濤[10]對(duì)GO粉煤灰混凝土進(jìn)行了抗氯離子滲透試驗(yàn)，研究顯示在0.3水膠比的粉煤灰混凝土中摻加0.15%的GO能使氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低52.8%。

(三)其他性能。杜濤[10]通過對(duì)GO混凝土孔結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)含量0.05%的GO能夠使混凝土孔隙率降低約16%，0.03%的GO能夠使混凝土孔徑分布得到較好的改善。A.Mohammed[11]等人通過試驗(yàn)研究了在高溫下對(duì)普通混凝土和高強(qiáng)混凝土摻入GO的影響，并綜合分析了試件的熱傳導(dǎo)、殘余力學(xué)強(qiáng)度、孔隙結(jié)構(gòu)、質(zhì)量損失及體積膨脹。結(jié)果表明GO能顯著提高試樣的力學(xué)強(qiáng)度，其殘余抗壓強(qiáng)度約為70%，而基準(zhǔn)試樣的殘余抗壓強(qiáng)度為35%，這是可能是由于GO使混凝土試件的孔隙結(jié)構(gòu)得以改善，也使得GO混凝土具有較好的抗裂性能和抗剝落性能，從而維持了力學(xué)強(qiáng)度。

四、結(jié)語及展望

綜上所述，現(xiàn)階段GO對(duì)混凝土各項(xiàng)性能與機(jī)理研究已取得了諸多成果，主要體現(xiàn)在力學(xué)性能和耐久性方面，極少摻量的GO就能使得混凝土的各項(xiàng)性能得到極大的改善，因此GO在混凝土中的應(yīng)用將有廣闊的前景。目前學(xué)者們主要對(duì)GO混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究，而關(guān)于耐久性方面的研究?jī)H有抗凍性、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕，要使GO混凝土在實(shí)際工程中得到推廣應(yīng)用，還應(yīng)對(duì)其耐久性進(jìn)行更深入更全面的研究，如抗水滲透性、收縮徐變、早期抗裂、碳化試驗(yàn)、抗疲勞變形等方面也需進(jìn)行廣泛的研究，為GO在工程中的應(yīng)用提供參考。