氧化石墨烯摻量及分散性對泡沫混凝土性能的影響研究

弓中偉，王穎

（1.新疆石河子職業(yè)技術學院 水利建筑工程分院，新疆 石河子 832000；2.石河子大學，新疆 石河子 832000）

0 引 言

泡沫混凝土是一種由水泥、發(fā)泡劑等原材料制備而成的多孔輕質混凝土，具有良好的保溫隔熱、隔聲性能，耐火性好，已被廣泛應用于建筑物的墻體保溫結構中[1]。然而，泡沫混凝土的多孔結構同時也使其面臨強度較低、易開裂、吸水率較高等問題[2]，極大地影響了泡沫混凝土的應用與發(fā)展。

氧化石墨烯作為一種二維增強材料，其彈性模量高達1050 GPa。同時，氧化石墨烯具有超大的比表面積，其表面含有大量羧基、羥基等含氧官能團[3]。目前，氧化石墨烯已被廣泛應用于水泥基材料中，大量研究表明[4-10]，氧化石墨烯在水泥的水化過程中具有晶核效應、模板效應，可有效改善水泥基材料的物理力學性能。呂生華等[4-6]研究表明，氧化石墨烯可調控水化產物形貌，促使水化產物規(guī)整，從而改善水泥基材料的力學性能。王琴等[7]研究表明，氧化石墨烯可調控水化，提高水化放熱量，加快水化速率，促使生成更多的水化產物。Pan Z等[8]研究表明氧化石墨烯的摻入提高了基體的曲折度，可有效阻礙裂紋擴展，提高基體力學性能。Mohammed A等[9]研究表明，氧化石墨烯還可改善水泥基材料基體的傳輸性，從而改善其耐久性。

本文選用氧化石墨烯作為增強劑，研究氧化石墨烯摻量和分散性對泡沫混凝土力學性能、吸水率、干密度和導熱系數(shù)的影響規(guī)律。并通過觀察泡沫混凝土的微觀結構，探究氧化石墨烯在泡沫混凝土中的作用機理，旨在為泡沫混凝土的制備和發(fā)展方向提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，華潤水泥有限公司；粉煤灰：F類Ⅱ級，河南電廠；發(fā)泡劑：十二烷基苯磺酸鈉，天津市致遠化學試劑有限公司；聚羧酸高效減水劑：MX-H型，重慶?；蛯崢I(yè)有限公司，減水率20%～25%；氧化石墨烯（GO）：GO100型，片徑為1 μm，大連美烯新材料有限公司。

1.2 配合比及試驗方法

設計泡沫混凝土的干密度為300 kg/m3，固定水膠比為0.5，配合比如表1所示，氧化石墨烯的摻量分別為膠凝材料質量的0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。

表1 泡沫混凝土的配合比 kg/m3

采用超聲分散儀對氧化石墨烯進行預處理，分散時間分別為0、30、120 min，分別記作GO-0、GO-30、GO-120。根據(jù)配合比制備泡沫混凝土，實驗環(huán)境溫度為（20±5）℃，相對濕度為（70±5）%。標準環(huán)境中養(yǎng)護24 h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護至28 d。

參照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》，制備100 mm×100 mm×100 mm的試件，測試泡沫混凝土的抗壓強度、吸水率和干密度。參照GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關特性的測定防護熱板法》，制備尺寸為300 mm×300 mm×30 mm的試件，測試泡沫混凝土的導熱系數(shù)。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察泡沫混凝土的微觀形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 氧化石墨烯對泡沫混凝土抗壓強度的影響

氧化石墨烯摻量及分散性對泡沫混凝土抗壓強度的影響如圖1所示。

圖1 氧化石墨烯對泡沫混凝土抗壓強度的影響

由圖1可見，未摻氧化石墨烯的基準組抗壓強度為0.7 MPa，而摻入氧化石墨烯后，泡沫混凝土的抗壓強度提高至0.74～1.15 MPa，漲幅為5.7%～64.3%。隨著氧化石墨烯摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強度先提高后降低，當氧化石墨烯摻量為0.6%時，抗壓強度均達到最大值，摻入未分散處理的氧化石墨烯的泡沫混凝土的抗壓強度為1.0 MPa，較基準組提高43%，摻入超聲分散30 min和120 min的氧化石墨烯的泡沫混凝土的抗壓強度分別為1.10、1.15 MPa，較基準組提高分別為57%、64%。同時可見，隨著分散時間的延長，氧化石墨烯對泡沫混凝土的增強效果愈加顯著，分散時間為120 min的氧化石墨烯增強效果最好。此規(guī)律與大多納米材料改性水泥基材料的規(guī)律相似，這是由于氧化石墨烯這類納米材料具有晶核效應[11]，可促進水泥的水化反應，提高其水化程度，使水化產物增多從而改善力學性能。并且，氧化石墨烯是一種二維材料，表面具有大量羥基、羧基等含氧官能團，在水泥的水化過程中可作為水化產物生長的模板，從而使水化產物更加規(guī)整，提高基體的力學性能[4]。然而，當氧化石墨烯摻量由0.6%增加至0.8%時，GO-0組和GO-30組的抗壓強度呈降低趨勢，GO-120組的抗壓強度不再提高，這可能是由于氧化石墨烯摻量增大后極易團聚，在水化過程中未分散完全從而形成缺陷造成。

2.2 氧化石墨烯對泡沫混凝土干密度的影響（見圖2）

圖2 氧化石墨烯對泡沫混凝土干密度的影響

由圖2可見，基準組的干密度為315 kg/m3。采用未分散處理的氧化石墨烯進行改性時，泡沫混凝土的干密度隨氧化石墨烯摻量的增加而逐漸提高，當摻量為0.8%時干密度最大，為325 kg/m3。這是由于氧化石墨烯的晶核作用和模板效應使水泥的水化更加充分，水化產物生成增多導致。而采用經(jīng)過30 min和120 min分散處理的氧化石墨烯進行改性時，泡沫混凝土的干密度均隨氧化石墨烯摻量的增加呈先減小后增大的趨勢，當氧化石墨烯摻量為0.4%時泡沫混凝土的干密度最小，分別為312、306 kg/m3。Shang等[12]研究表明，氧化石墨烯摻入水泥中水泥漿體的流動度降低，屈服應力和塑性黏度增大。因此，摻入氧化石墨烯后泡沫的黏度增大從而具有穩(wěn)泡的功能，使氣泡更加穩(wěn)定存在，從而使泡沫混凝土的干密度呈降低的趨勢。而隨著氧化石墨烯摻量繼續(xù)增大，促使水化產物大幅增多，因此泡沫混凝土的干密度又逐漸增大。并且，采用分散處理時間越長的氧化石墨烯對泡沫混凝土干密度的影響越大，此規(guī)律與氧化石墨烯改性泡沫混凝土的力學性能的規(guī)律一致，即分散處理可增強氧化石墨烯對泡沫混凝土的改性作用。

2.3 氧化石墨烯對泡沫混凝土吸水率的影響（見圖3）

圖3 氧化石墨烯對泡沫混凝土吸水率的影響

由圖3可見，基準組的吸水率為58%，采用氧化石墨烯改性后泡沫混凝土的吸水率大幅降低。當氧化石墨烯摻量為0.8%時，GO-0、GO-30、GO-120組的吸水率分別降低至30%、30%、25%。王洪里[13]研究表明，氧化石墨烯的摻入使發(fā)泡保溫試塊內的氣泡變得細密，微裂紋減少，有害孔數(shù)量降低，從而有效改善發(fā)泡水泥保溫材料的性能。此外，相比于未分散處理的氧化石墨烯，采用分散處理的氧化石墨烯對泡沫混凝土的改性效果更佳，且分散時長延長能進一步提高改性效果。這是因為，均勻分散的氧化石墨烯更能有效穩(wěn)定氣泡，形成更多封閉孔，從而降低泡沫混凝土的吸水率。

2.4 氧化石墨烯對泡沫混凝土導熱系數(shù)的影響（見圖4）

圖4 氧化石墨烯對泡沫混凝土導熱系數(shù)的影響

由圖4可見，基準組的導熱系數(shù)為0.072 W/（m·K），摻入氧化石墨烯時，泡沫混凝土的導熱系數(shù)隨著氧化石墨烯摻量的增加而降低，其中GO-120組氧化石墨烯摻量為0.8%時，泡沫混凝土的導熱系數(shù)最小，為0.053 W/（m·K），較基準組降低了26.4%。氧化石墨烯的模板效應使水化產物可在其表面生長，有效減少了有害孔的數(shù)量，降低孔的連通性，因此泡沫混凝土的導熱系數(shù)有所降低，保溫隔熱性能得到提升。但當氧化石墨烯摻量繼續(xù)增大至0.8%時，GO-0組和GO-30組的導熱系數(shù)出現(xiàn)小幅增長趨勢，此規(guī)律未出現(xiàn)在GO-120組，故推測是由于氧化石墨烯摻量較大時的團聚現(xiàn)象，導致晶核作用、模板效應等作用減弱，泡沫混凝土中連通孔數(shù)量增多，導致保溫隔熱性能降低；此外，由于氧化石墨烯這類碳納米材料自身即具有良好的導熱性能，當摻量增大時，氧化石墨烯之間出現(xiàn)團聚堆疊，使泡沫混凝土內部的傳熱速率相對提高，也一定程度降低了泡沫混凝土的保溫隔熱性能。

2.5 泡沫混凝土水化產物微觀結構分析

試驗對比了基準組和摻0.6%超聲分散120 min氧化石墨烯的泡沫混凝土的微觀形貌，SEM照片見圖5、圖6。

圖5 未摻氧化石墨烯泡沫混凝土的微觀結構

圖6 摻0.6%超聲分散120 min氧化石墨烯泡沫混凝土的微觀結構

從圖5可見，基準組水化產物中有較多的微裂紋，而從圖6（a）可以看出，摻入氧化石墨烯后孔中的微裂紋減少，并且水化產物表面附著大量細小的簇狀水化產物，如圖6（b）所示，此類水化產物還在微裂紋處生長，故可推測氧化石墨烯發(fā)揮了其模板作用使水化產物在其表面生長，生成了更加規(guī)整的簇狀水化產物，從而改善基體的微觀結構，有效降低微裂紋的發(fā)展。

3 結 論

（1）氧化石墨烯的摻入可有效提高泡沫混凝土的抗壓強度，其中摻量為0.6%時增強作用最顯著，相較于基準組，未分散的氧化石墨烯抗壓強度提高了43%，超聲分散120 min的氧化石墨烯抗壓強度提高了64%。當氧化石墨烯摻量繼續(xù)增大至0.8%時，泡沫混凝土抗壓強度呈小幅降低趨勢。

（2）摻入氧化石墨烯可有效降低泡沫混凝土的吸水率和導熱系數(shù)，其中摻入0.8%超聲分散120 min的氧化石墨烯泡沫混凝土的吸水率為25%，導熱系數(shù)為0.053 W/（m·K），相較于基準組分別降低了56.9%、26.4%。泡沫混凝土的干密度隨氧化石墨烯摻量的增加呈先減小后增大趨勢，摻入0.4%超聲分散120 min的氧化石墨烯泡沫混凝土的干密度最小。

（3）氧化石墨烯的摻入使泡沫混凝土水化產物中的微裂紋減少，由于其模板效應生成的簇狀水化產物可降低微裂紋的發(fā)展。