氧化石墨烯對超高性能混凝土力學性能的影響研究

魯 權(quán)，吳玉友，詹根瑞

（佛山科學技術(shù)學院 交通與土木建筑學院，廣東 佛山 528000）

超高性能混凝土（UHPC）是具有超高力學性能、優(yōu)異耐久性的水泥基材料的統(tǒng)稱，最早由LARRARD［1］等人于1994 年提出。通過剔除粗骨料、優(yōu)化顆粒級配、使用聚羧酸減水劑、摻入活性礦物摻和料、摻入鋼纖維和加溫加壓養(yǎng)護等方法降低UHPC 的孔隙率使得基體更加密實從而提高強度。我國規(guī)范《活性粉末混凝土》（GB/T31387-2015）［2］對UHPC 用原材料提出了明確的要求，但對于原材料的優(yōu)化設(shè)計并沒有提出明確要求。冷政［3］采用水泥、硅灰、微珠與偏高嶺土等膠凝材料設(shè)計的UHPC 標養(yǎng)90 d 抗壓強度可達208.8 MPa。劉永道［4］采用水泥、微珠、硅灰、河砂與石英粉等原材料制備出標養(yǎng)28 d抗壓強度達179.6 MPa 的UHPC。

納米材料是20 世紀末發(fā)展起來的一種新型材料，由于其獨特的性能與廣闊的應(yīng)用前景，相關(guān)的研究取得了長足的發(fā)展，被譽為跨世紀的新材料。徐慎春、吳成清［5］研究了鋼纖維與納米SiO2、納米CaCO3、納米TiO2和Al2O3復摻對UHPC 力學性能的影響，結(jié)果表明2.5%超細鋼纖維與3%納米Al2O3組合對UHPC 的力學性能的增強最為明顯。黃政宇、曹方良［6］，黃政宇、祖天鈺［7］研究了納米CaCO3對UHPC 性能的影響，結(jié)果表明摻入3%的納米碳酸鈣會導致UHPC 工作性能的下降，但力學性能的提升顯著，與對照組相比抗折強度提升28.22%。YU［8］等將納米SiO2用于UHPC 中并研究了其對UHPC 水化和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響，納米SiO2的成核效應(yīng)補償了由于大摻量高效減水劑引起的延緩水化作用；隨著納米SiO2的加入，UHPC 粘度增加，提高了體系中的含氣量，在低孔隙率UHPC 的條件下，納米SiO2的成核效應(yīng)與引氣效果可以得到很好的平衡。

氧化石墨烯（GO）具有獨特的準二維層狀結(jié)構(gòu)，層間距為0.7～1.2 nm，彈性模量可達0.25 TPa，其表面含有大量的極性含氧基團如羥基、羧基、環(huán)氧基和酯基等，這使得GO 具有活性且易與許多聚合物基質(zhì)相容，因此成為提高水泥基材料密實度的理想材料。雷斌［9］研究了氧化石墨烯對再生混凝土的性能影響，結(jié)果表明摻入氧化石墨烯能夠提高混凝土的抗壓和抗折強度，再生混凝土中摻入氧化石墨烯后的抗凍性能先下降后提高，摻入0.06% GO 使再生砂漿和普通砂漿的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙率降低，生成了更多的水化產(chǎn)物。WU 等［10］研究了氧化石墨烯混凝土的力學性能，結(jié)果表明：當GO 摻量為0.03%時，混凝土的劈拉強度最大，混凝土的力學性能隨著GO 摻量的增加而提高。LU 等［11］研究了氧化石墨烯（GO）納米片對超高強混凝土力學性能的影響，結(jié)果表明隨著納米GO 的摻入，流動度降低，適當?shù)膿搅亢土己梅稚O 納米片能夠有效地提升超高強混凝土的力學性能。但GO 對UHPC 力學性能的影響卻鮮有報道。

基于以上文獻，本文制備了氧化石墨烯超高性能混凝土（GO-UHPC），研究了標準養(yǎng)護下與蒸汽養(yǎng)護下GO 對UHPC 流動度、抗壓強度、抗折強度等性能的影響，為GO-UHPC 的發(fā)展及可能工程應(yīng)用進行了探索。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥采用哈爾濱亞泰集團生產(chǎn)的天鵝牌P.O.425 水泥；硅灰平均粒徑為0.1 um，比表面積大于16×104 cm2/g，SiO2含量為95.3%；S95 礦粉，比表面積為418 kg/m2；一級粉煤灰，300～400 目；所用砂為機制石英砂；石英粉目數(shù)為300 目；減水劑采用上海錦宣實業(yè)公司提供的白色粉末狀聚羧酸高效減水劑，減水率30%以上；氧化石墨烯由深圳烯材科技有限公司提供，其主要片徑分布范圍為0.5～3 um，單層率為91%，平均厚度為1.1～1.2 nm，具有良好分散性。試驗配合比表1，GO 摻量分別為0、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%，并分別以GUh-0、GUh-1、GUh-2、GUh-3、GUh-4 表示。

表1 超高性能混凝土配合比

1.2 試驗制備

將膠凝材料、機制石英砂與減水劑一同倒入攪拌鍋中，干拌2 min，在之后的30 s 內(nèi)，將制備的氧化石墨烯分散液均勻投入到攪拌鍋中，低速攪拌2 min，再高速攪拌3 min。攪拌完成后倒入40×40×160 mm試模中，及時覆蓋塑料保鮮膜，將試件置于養(yǎng)護室內(nèi)靜停24 h 后拆模。試件分別放置在標準養(yǎng)護室與蒸汽養(yǎng)護中，其中蒸汽養(yǎng)護是以15 ℃/h 的升溫升至90 ℃保持48 h，再以10 ℃/h 降溫至室內(nèi)溫度，最后移入標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護至檢測齡期。

1.3 試驗方法

流動度按照《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T2419-2015）規(guī)定的跳桌法進行；強度測試按照《活性粉末混凝土》（GB/T31385-2015）要求，抗折強度加荷速率為0.1 MPa/s，抗壓強度加荷速率為1.2 MPa/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 GO 對UHPC 流動度的影響

圖1 為摻入氧化石墨烯后GO-UHPC 的流動度大小，可以看到，隨著氧化石墨烯的摻入，流動度呈逐漸降低的趨勢，摻入0.01%與摻入0.02%時流動度變化不大。由于氧化石墨烯的粒徑非常小，具有小尺寸效應(yīng)，能夠填充膠凝材料中的孔隙，置換出部分自由水，導致膠凝材料能接觸到的自由水變少；GO 較大的比表面積所需的表層吸附水量增加，對膠凝材料需水量的影響較大，導致UHPC 基體的稠度增加，粘聚性增強，流動度下降。

圖1 GO 對UHPC 流動度的影響

2.2 GO 對UHPC 抗壓強度的影響

圖2 為蒸汽養(yǎng)護和標準養(yǎng)護時氧化石墨烯對超高性能混凝土抗壓強度的影響。從圖中可以看出，在蒸養(yǎng)與標養(yǎng)的條件下抗壓強度均隨著氧化石墨烯的摻入而提高。在蒸汽養(yǎng)護的條件下，當摻入0.02%GO 時，GO-UHPC 抗壓強度達到最大值，7 d、28 d、56 d 的抗壓強度分別為97.56 MPa、125.91 MPa 和130.12 MPa。與未摻入GO 的基準UHPC 相比，7 d、28 d、56 d 的抗壓強度分別為90.86 MPa、108.01 MPa 和112.58 MPa，同比提升7.37%、16.6%和15.58%。在標準養(yǎng)護條件下，強度規(guī)律亦是如此。摻入0.02%GO 抗壓強度分別提升5.33%、1.83%和7.46%，相比蒸汽養(yǎng)護提升非常小。一方面是由于蒸汽養(yǎng)護能夠加快水化速率，促進C-S-H 凝膠的形成，火山灰效應(yīng)明顯，導致在蒸汽養(yǎng)護下UHPC 的抗壓強度遠遠大于標準養(yǎng)護下的UHPC［12］；另一方面說明氧化石墨烯具有一定的促進水化作用，能夠進一步填充UHPC 水泥基的孔隙，提高密實度，達到提高抗壓強度的效果。對比標準養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護的強度可以發(fā)現(xiàn)，標準養(yǎng)護的后期強度增長率明顯高于蒸汽養(yǎng)護增長率，其原因主要與水化程度有關(guān)。

圖2 GO 對UHPC 抗壓強度的影響

2.3 GO 對UHPC 抗折強度的影響

圖3 為蒸汽養(yǎng)護與標準養(yǎng)護的條件下，氧化石墨烯對超高性能混凝土抗折強度的影響。從圖中可以看出GO 對超高性能混凝土抗折強度的影響與抗壓強度相似，在蒸汽養(yǎng)護下，當摻入0.02%的GO 時UHPC 的抗折強度在7 d、28 d、56 d 分別為20.83 MPa、23.17 MPa 和24.82 MPa，與不摻GO 的對照組相比分別提升了7.04%、13.2%和5.57%。而在標準養(yǎng)護的條件下，摻入0.03%GO 抗折強度高于同條件下0.02%摻量的GO-UHPC，28 d 抗折強度提升17.4%。說明在適當?shù)膿搅肯?，氧化石墨烯有效提高了基體的密實性，延緩了裂紋出現(xiàn)的時間，提高了GO-UHPC 抵抗應(yīng)變的能力。

圖3 GO 對UHPC 抗折強度的影響

3 結(jié)論

本文研究了蒸汽養(yǎng)護和標準養(yǎng)護下氧化石墨烯對超高性能混凝土流動度、抗壓強度和抗折強度等性能的影響，結(jié)果表明：

（1）摻入氧化石墨烯會降低超高性能混凝土的流動度，當摻入0.02%GO 時，流動度與摻入0.01%GO 時變化不大，表明0.02%GO 是UHPC 體系中摻量較優(yōu)值；

（2）蒸汽養(yǎng)護與標準養(yǎng)護下氧化石墨烯均能夠提升UHPC 的力學性能，其中摻入0.02%GO 提升最為明顯，這與流動度的結(jié)論相符合；

（3）實驗結(jié)果表明摻入0.02%GO 對UHPC 性能具有較大的提升作用，摻入過量的GO 對UHPC 強度提升有限。