氧化石墨烯對水泥膠砂流動度及力學性能的影響

詹根瑞，吳玉友 *，魯 權(quán)

（佛山科學技術(shù)學院交通與土木建筑學院，廣東 佛山528000）

混凝土是全世界使用最廣泛的建筑材料之一，由于抗壓強度大、原材料易獲取、價格低廉等優(yōu)點而被廣泛的運用于房屋、橋梁、隧道、港口碼頭等建筑物。而混凝土的缺點也同樣不可忽視：抗拉強度低、韌性差、易產(chǎn)生裂縫等。這些缺點使得混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命嚴重縮短，維護成本提高［1］。因此，人們正在努力嘗試用纖維材料來對混凝土進行增強增韌，目前，用于對混凝土進行增強增韌的主要纖維材料有：鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維等。這些材料雖然可以在微觀以及宏觀的層面控制其性能，達到增強增韌的目的，但是，這些纖維并不能控制水泥的水化反應，改變水化產(chǎn)物，而水泥的水化產(chǎn)物約70%為納米級的硅酸鈣凝膠（C-S-H），因此它并不能在納米尺度上控制裂紋［2-4］。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，許多納米材料已被利用來優(yōu)化水泥基復合材料的性能。張琰等［5］研究了單摻納米二氧化硅（NS）與復摻納米二氧化硅與碳納米管（NS/CNTs）對水泥基復合材料性能的影響，結(jié)果表明：隨著NS 摻量的增大，砂漿的流動度逐漸減??；NS/CNTs 的摻量的最優(yōu)值為2%/0.1%，28 d 抗壓強度達到67.5 MPa，與對照組相比強度提升29.1%。范穎芳等［6］將納米高嶺土顆粒摻入水泥基材料以改善其性能，結(jié)果表明：當納米高嶺土摻量為1%時，水泥凈漿的抗折強度提高了39.04%，當納米高嶺土摻量為5%時，水泥砂漿的氯離子擴散系數(shù)降低53.03%；他認為納米高嶺土顆粒能夠促進水泥的水化反應，加上自身的填充效應能夠使水泥基材料的結(jié)構(gòu)更加密實，從而改善其機械性能和耐久性。

近來，GO 也應用于增強增韌水泥基復合材料。呂生華等［7］研究了GO 對水泥凈漿流動性和機械性能影響的規(guī)律，結(jié)果表明：當GO 摻量為0.01%，0.03%，0.05%，0.07%，0.09%時，保持水泥漿體流動度在200 mm 以上所需的減水劑PCs 分別為0.24%，0.28%，0.32%，0.36%和0.4%；摻入GO 能夠調(diào)控水泥的水化反應，促使水泥水化產(chǎn)物形成規(guī)整的晶體，從而使水泥基材料的結(jié)構(gòu)更加密實；摻入GO 能夠顯著提高水泥基材料的抗折強度和抗壓強度。呂生華等［8］還利用聚合反應制備了復合物（PCs/GO），并將其應用于水泥基材料中。研究結(jié)果表明：PCs/GO 能夠調(diào)控水泥基體成為由多面體狀產(chǎn)物構(gòu)成的規(guī)整的微觀結(jié)構(gòu)，具有顯著的增強增韌效果，同時也發(fā)現(xiàn)PCs/GO 能夠在水泥基體的裂縫和孔洞處產(chǎn)生花狀和多面體狀晶體，具有修復裂縫、孔洞的功效。袁小亞等［9］研究了單摻PC、單摻GO 以及復摻PC/GO 對水泥基材料力學性能的影響，結(jié)果表明：復摻PC/GO 的水泥砂漿3 d 和28 d 抗折抗壓強度比單摻GO 或者單摻PC 的試件強度提高了20%以上，并且早期強度提升比后期強度提升更加明顯。HUI PENG 等［10］研究了GO 對水泥膠砂的力學性能以及微觀形貌影響，得出結(jié)論：在一定的水灰比下，GO-水泥砂漿的抗折強度和抗壓強度隨著GO 摻量的增加先增大后下降。GO 摻量為0.03%時，抗折強度達到最大值。GO摻量為0.01%時，抗壓強度達到最大值。并且抗折強度的提升率大于抗壓強度；GO 具有巨大的表面能，能夠成為水化反應的成核中心，促進水化產(chǎn)物的生成，使水泥基材料具有更加均勻和致密的結(jié)構(gòu)，從而提高他們的強度和韌性。

基于GO 優(yōu)異的性能及其與水泥基材料復合的優(yōu)勢，本文制備了GO-水泥膠砂試件，研究GO 對水泥膠砂流動度以及基本力學性能的影響，并在一定流動度范圍內(nèi)討論不同GO 摻量對水泥膠砂力學性能的影響，為實際工程奠定基礎(chǔ)。

1 試驗

1.1 試驗原材料

水泥采用天鵝牌PO.42.5 水泥；砂采用廈門艾思歐標準砂；減水劑（PC）采用瑞士西卡聚羧酸超塑化減水劑540P（粉劑），摻量0.1%～0.2%時，減水率可達30%以上；氧化石墨烯采用電解水法制備（由深圳烯材科技有限公司提供），固體含量為10 mg/ml，碳氧比1.7，主要片徑分布范圍為0.5～3 μm，平均厚度為1.1～1.2 nm，單層率91%；為防止自來水中的陽離子影響GO 的分散性，本文采用蒸餾水作為拌合用水。

1.2 配合比

表1 中，試件OPC 的GO 摻量為0，試件GPC-1～5 的GO 摻量為0.01%～0.05%，PC 摻量（占水泥質(zhì)量）分別為0.15%、0.16%、0.17%、0.18%、0.19%、0.20%；水膠比為0.4；表中水的質(zhì)量包含了GO 分散液中水的質(zhì)量。

表1 氧化石墨烯水泥膠砂配合比

1.3 水泥膠砂的制備

稱取水泥450 g，標準砂1 350 g，水180 g 和一定量的PC 和GO，首先將GO 分散液在蒸餾水中稀釋并機械攪拌（1 000 r/min）90 s 得GO 溶液，然后在GO 溶液中加入PC 攪拌90 s 得GO/PC 混合溶液，最后根據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T17671-1999）中的攪拌步驟進行攪拌。攪拌完畢后裝入40×40×160mm 的試模中在水泥膠砂振實臺上分兩層振搗成型（每層振搗60 s），成型后立即蓋上聚乙烯膜防止表面水分蒸發(fā)，在溫度20±1℃，相對濕度大于50%的條件下靜置24 h 拆模，然后立即移入標準條件下（溫度20±1℃，濕度大于95%）的養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護至3 d、28 d 后取出進行破型試驗。

1.4 試驗方法

流動度測試按照《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T2419-2005）進行；力學性能測試按照《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T17671-1999）進行，其中抗折強度試驗的加荷速度為50 N/s，抗壓強度試驗的加荷速度為2.4 KN/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 GO 對水泥膠砂流動度的影響

GO 對水泥膠砂流動度的影響見圖1，由圖1a 可知，當PC 摻量為0.15%，GO 摻量0～0.05%對應的水泥膠砂流動度為200、194、177、165、155、147 mm，隨GO 摻量的增加而減小，下降幅度分別為3%、11.5%、17.5%、22.5%、26.5%，這表明GO 對水泥膠砂的流動度有不利影響，這可能是由GO 摻量越高，超大的總比表面積吸水更多導致。圖1b 可知，隨著GO 摻量由0.01%至0.05%的依次遞增，保持水泥膠砂流動度在200 mm 以上所需的減水劑摻量分別為0.16%、0.17%、0.18%、0.19%、0.20%，每個GO 摻量下減水劑摻量差值為0.01%。由此說明，GO 對水泥膠砂流動度的影響可以通過增大減水劑的摻量來解決。但是在GO 摻量較大時（如摻量0.04%和0.05%），相同增量減水劑對流動度的提升作用不明顯，這可能是由GO 摻量較大時團聚吸水無法避免的原因?qū)е隆?/p>

圖1 GO 摻量對水泥膠砂流動度的影響

2.2 GO 對水泥膠砂力學性能的影響

由圖2 可知，摻GO 的水泥膠砂的抗折與抗壓強度均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當GO 摻量為0.02%時，抗折和抗壓強度均達到最大值，其3 d 與28 d 的抗折強度分別為7.3 MPa 和9.8 MPa，不摻GO 的水泥膠砂3 d 和28 d 的抗折強度為6.3 和9.0 MPa，同比增長了15.9%和8.9%；GO 摻量為0.02%的水泥膠砂3 d 與28 d 抗壓強度分別為38.1 MPa 和56.9 MPa，不摻GO 的水泥膠砂3 d 與28 d 的抗壓強度分別為33.5 MPa 和52.0 MPa，同比增長13.7%和9.4%。這表明當摻量在一定范圍內(nèi)，GO 能充分發(fā)揮其納米填充作用及橋接作用，顯著提高水泥膠砂力學性能［11］。當GO 摻量超過0.02%時，水泥膠砂的抗折與抗壓強度均呈現(xiàn)下降趨勢，其原因可能有：1）GO 具有超大的比表面積，需要更多的自由水來濕潤其表面，阻礙了水泥水化反應的進行以及水化產(chǎn)物的生成，從而影響強度的發(fā)展；2）GO 摻量過高，導致團聚吸水，造成局部水灰比過小，水化產(chǎn)物不均勻，從而導致強度降低［11］。

圖2 GO 對水泥膠砂力學性能的影響

GO/PC 摻量為0.01%/0.16%、0.02%/0.17%、0.03%/0.18%、0.04%/0.19%、0.05%/0.20%的水泥膠砂3 d 抗折強度分別提高了11.1%、15.9%、12.7% 、11.1%、4.8%，28 d 抗折強度分別提高了3.3%、8.9%、5.6%、3.3%、1.1%；3 d 抗壓強度分別提高了7.2%、13.7%、7.8%、4.8%、3.3%，28 d 抗壓強度分別提高了7.9%、9.4%、5.2%、2.7%、2.7%。從以上數(shù)據(jù)可得出，同一GO 摻量下3 d 抗折與抗壓強度的提升率基本大于28 d 抗折與抗壓強度的提升率；同一齡期下，抗折強度的提升率也普遍大于抗壓強度的提升率。由此可知：GO 對水泥膠砂早期力學性能的提升較大，對水泥膠砂抗折強度的提升大于抗壓強度。

3 結(jié)論

本文通過制備氧化石墨烯水泥膠砂試件，研究氧化石墨烯對水泥膠砂流動度和力學性能的影響，最終得出以下結(jié)論：

（1）GO 對水泥膠砂流動度會產(chǎn)生不利影響。當PC 摻量一定時，隨著GO 摻量的增加，水泥膠砂的流動度逐漸減小。

（2）隨著GO 摻量由0.01%至0.05%的依次遞增，保持水泥膠砂流動度在210±10 mm 以內(nèi)所需的PC 摻量分別為0.16%、0.17%、0.18%、0.19%、0.20%。

（3）摻入GO 后，水泥膠砂的強度呈先上升后下降的趨勢。在GO 摻量為0.02%時，抗折與抗壓強度達到最大值，3 d 抗折與抗壓強度比對照組分別提升了15.9%和13.7%；28 d 抗折與抗壓強度比對照組分別提升了8.9%和9.4%。

（4）氧化石墨烯對水泥膠砂早期力學性能的提升較后期力學性能顯著，并且GO 對水泥膠砂抗折強度的提升大于對抗壓強度的提升。