氧化石墨烯改性水泥的制備及力學(xué)性能研究

張 慧，張 超

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽712000）

前 言

目前在建筑行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的建筑材料就是水泥，各種工程項目中都能看到它的身影，可以說水泥已經(jīng)成為城市建設(shè)的基礎(chǔ)材料。然而水泥并不是堅不可摧的，隨著時間的流逝與環(huán)境因素的影響，水泥會受到各種破壞和侵蝕，這不僅會加重環(huán)境與經(jīng)濟方面的負(fù)擔(dān)，甚至可能會對建筑安全造成影響。提升水泥的耐久性從而對其服役壽命進行延長對于建筑材料領(lǐng)域的發(fā)展具有非凡的意義[1]。在水泥使用壽命的延長中，其耐久性的提升是最為核心的因素，特別是在海洋等復(fù)雜環(huán)境下水泥的耐久性往往會面臨很大的挑戰(zhàn)。水泥受到破壞和侵蝕的原因主要有氯鹽離子以及各種離子的侵蝕作用、硫酸鹽的腐蝕作用、堿集料反應(yīng)作用、凍融破壞作用以及碳化作用等[2]。這些作用的發(fā)生均與碳酸鹽侵蝕混凝土以及硬化漿體中的孔隙進入二氧化碳有關(guān)，此時二氧化碳會遇水生成碳酸，碳酸不穩(wěn)定，碳酸根離子會與漿體孔隙中的堿性溶液物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鹽，使溶液自身的pH值降低，破壞保護水泥表面的致密層，對水泥造成侵蝕[3]。

有關(guān)研究證實，只有將水泥pH值保持在大于11.5的狀態(tài)，才能保證其不受到侵蝕。為了保持該pH 值，需要保證水泥不產(chǎn)生干縮。水泥的干縮與自身的材料含水量以及環(huán)境的具體濕度有關(guān)，水泥發(fā)生干縮現(xiàn)象后，其內(nèi)部會出現(xiàn)裂紋，此時侵蝕離子會將該裂紋當(dāng)成滲透通道，破壞水泥基體整體的耐久性[4]。為了降低水泥發(fā)生干縮的幾率，2004 年石墨烯通過微機械剝離方式被成功制備出來，獲取了極大關(guān)注。然而由于石墨烯的材料特性使其難以在水泥中均勻分散，因此人們將目光轉(zhuǎn)向了氧化石墨烯。

文獻[5]采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯，制備功能填料，將其填充到水性環(huán)氧樹脂中制備復(fù)合涂層。采用FTIR、XRD、氮氣吸附脫附和TEM 對填料進行了表征，測試了防腐性能及力學(xué)性能。得到的結(jié)果為復(fù)合涂層的防腐性能優(yōu)于純環(huán)氧涂層，表明了氧化石墨烯材料的性能較好。文獻[6]使用水熱法制備了具有良好光致發(fā)光和磁性的3D 還原氧化石墨烯材料。使水凝膠脫水以進行保存，升華過程使用冷凍干燥法保持孔隙率。通過引入Tb離子，氧化石墨烯材料被賦予了順磁性和綠色光致發(fā)光特性，這也增強了氧化石墨烯材料的性能。

通過氧化石墨烯對改性水泥進行制備能夠成功克服水泥材料的缺陷，基于此本文提出一種氧化石墨烯改性水泥的制備方法并對其進行力學(xué)性能研究。

1 研究對象與研究方法

1.1 研究材料

研究中采用的具體試劑與原料如表1 所示。

表1 研究中采用的具體試劑與原料Table 1 The reagents and raw materials used in the study

1.2 研究設(shè)備儀器

研究中使用的設(shè)備儀器具體如表2 所示。

表2 研究中使用的設(shè)備儀器Table 2 The equipment used in the study

1.3 研究方法

首先需要利用Hummers 改性法對氧化石墨烯進行制備，具體制備步驟分為三步，第一步是氧化，向持續(xù)攪拌的三口燒瓶內(nèi)依次加入鱗片石墨9g、硝酸鈉3g、濃硫酸150mL。將該三口燒瓶放置在混合的冰水浴中，將其中的溶液持續(xù)攪拌至均勻并緩緩倒入高錳酸鉀9g（盡量緩慢）。完成加料后，把反應(yīng)裝置放進恒溫水浴內(nèi)（溫度保持在35℃），對其進行4h的持續(xù)攪拌。接著向其中倒入制備的去離子水150mL，并將其放入油浴中（溫度為98℃），保持溫度15min，完成反應(yīng)后緩緩將獲取的反應(yīng)產(chǎn)物倒進燒杯中，該燒杯盛有制備的去離子水，并利用制備的去離子水對三口燒瓶進行反復(fù)清洗[7～8]。最后向燒杯內(nèi)倒入濃度為30%的過氧化氫15mL，直至反應(yīng)終止。

第二步是純化，放置氧化獲取的石墨產(chǎn)物約1d時間，等待產(chǎn)物完全在燒杯底部沉淀，將上層的清液倒掉，利用高速臺式離心機對下層產(chǎn)物實施多次離心清洗，每次平均清洗約10min，高速臺式離心機的轉(zhuǎn)速保持在每分鐘萬轉(zhuǎn)[9]。將獲取的離心產(chǎn)物放入透析袋內(nèi)，利用制備的去離子水對其進行透析直到去除雜質(zhì)離子如硫酸根等。

第三步是剝離，在透析袋中將氧化石墨去除并放入燒杯，加入制備的去離子水，均勻攪拌后，通過超聲波破碎儀對其進行超聲約2h，獲取穩(wěn)定均勻的氧化石墨烯分散膠體液，完成氧化石墨烯的制備[10]。

氧化石墨烯的具體制備流程如圖1 所示[11]。

圖1 氧化石墨烯的具體制備流程Fig. 1 The preparation process of the graphene oxide

利用制備的氧化石墨烯來制備氧化石墨烯改性水泥[12]。制備中使用的水泥的具體化學(xué)成分如表3 所示。

表3 水泥的具體化學(xué)成分Table 3 The chemical compositions of cement

氧化石墨烯改性水泥穩(wěn)定制備首先需要對氧化石墨烯進行稱量，并在去離子水中分散稱好的氧化石墨烯[13]。利用玻璃棒對其進行攪拌，并置于超聲波式清洗器中對其進行1h 超聲。然后在凈漿攪拌鍋內(nèi)倒入均勻分散的氧化石墨烯膠體，并倒入水泥對其進行均勻攪拌[14]。對獲取的水泥漿體進行成型養(yǎng)護，從而完成氧化石墨烯改性水泥的制備。

完成制備后，對氧化石墨烯改性水泥進行力學(xué)性能測試，包括抗壓強度與抗折強度實驗。利用行星球磨機、分析用電子天平、恒溫電熱鼓風(fēng)干燥箱等儀器將氧化石墨烯改性水泥制成試塊，試塊具體制作尺寸為40mm×40mm×160mm。操作的具體步驟為在模具內(nèi)裝入均勻攪拌的氧化石墨烯改性水泥凈漿，并將模具放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中對其進行養(yǎng)護，具體的養(yǎng)護條件是將相對濕度控制在95%左右，并將溫度控制在20℃以上。第二天對其進行脫模，并繼續(xù)將試塊放入養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，直至試塊到達(dá)一定齡期之后，通過萬能電子試驗機對試塊進行力學(xué)性能測試[15]。分別測試氧化石墨烯改性水泥試塊在氧化石墨烯摻量為0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%、0.12%時的抗壓強度與抗折強度，并與水泥進行對比。

1.4 統(tǒng)計與分析

利用數(shù)據(jù)處理軟件對實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行記錄與處理，并利用方差單因素分析方法分析實驗數(shù)據(jù)，將P＜0.01 作為非常顯著性差異，將P＞0.05 作為顯著性差異。

2 結(jié)果分析與結(jié)論獲取

2.1 抗壓強度實驗結(jié)果分析

制備的氧化石墨烯改性水泥抗壓強度實驗結(jié)果具體如表4 和表5 所示。

表4 7d 時氧化石墨烯改性水泥抗壓強度實驗結(jié)果Table 4 The compressive strength test results of graphene oxide modified cement after 7 days

表5 28d 時氧化石墨烯改性水泥抗壓強度實驗結(jié)果Table 5 The compressive strength test results of graphene oxide modified cement after 28 days

根據(jù)表4 與表5 的氧化石墨烯改性水泥抗壓強度實驗結(jié)果可知，制備的氧化石墨烯改性水泥在氧化石墨烯摻量逐漸提升的情況下，其抗壓強度也呈現(xiàn)逐漸上升的態(tài)勢，并在氧化石墨烯摻量為0.1%時實現(xiàn)抗壓強度的大幅突破，在氧化石墨烯摻量為1.0%時達(dá)到最大抗壓強度。并且氧化石墨烯改性水泥的抗壓強度一直大于水泥。

2.2 抗折強度實驗結(jié)果分析

制備的氧化石墨烯改性水泥抗折強度實驗結(jié)果具體如表6 和表7 所示。

表6 7d 時氧化石墨烯改性水泥抗折強度實驗結(jié)果Table 6 The flexural strength test results of graphene oxide modified cement after 7 days

表7 28d 時氧化石墨烯改性水泥抗折強度實驗結(jié)果Table 7 The flexural strength test results of graphene oxide modified cement after 28 days

根據(jù)表6 與表7 的氧化石墨烯改性水泥抗折強度實驗結(jié)果可知，制備的氧化石墨烯改性水泥在氧化石墨烯摻量逐漸提升的情況下，其抗折強度也有所提升。在氧化石墨烯摻量為0.06%時抗折強度達(dá)到最高，隨后抗折強度呈現(xiàn)下降趨勢，但仍一直大于水泥的抗折強度。

3 結(jié) 論

氧化石墨烯改性水泥的制備實現(xiàn)了水泥抗壓強度與抗折強度這兩種力學(xué)性能的提升，通過實驗分析得出，在氧化石墨烯摻量為1.0%時達(dá)到最大抗壓強度，摻量為0.06%時達(dá)到最高抗折強度，這一結(jié)果對建筑行業(yè)的發(fā)展有很大意義。