摻0.02%氧化石墨烯對高強混凝土性能的影響

◎張煊銘 趙騰飛

（1.商丘工學院土木工程學院，河南商丘 476000；2.豫東黃泛區(qū)地下空間與巖土工程研究中心，河南商丘 476000）

隨著時代的進步和社會的發(fā)展，普通混凝土無法滿足建筑對美觀、經(jīng)濟、節(jié)能環(huán)保等方面的要求，所以改善或制備低價的超高性能混凝土成為當前研究的熱點[1-2]。

氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)是石墨烯的氧化物，其顏色為棕黃色，常見的產(chǎn)品有粉末狀、片狀以及溶液狀。經(jīng)氧化后，其含氧官能團增多而使性能較石墨烯更加活潑，與石墨烯相比，制作成本較低。邱文俊等人[3]研究表明，摻入0.02%的氧化石墨烯，使標準養(yǎng)護下大摻量礦物細粉超高性能混凝土抗壓強度，提高到蒸汽養(yǎng)護的水平，不僅節(jié)約了成本，而且具有重要應用價值；鄭睢寧等人[4]研究表明摻入0.02%的氧化石墨烯可顯著提高水泥基復合材料的抗凍性能，因此，筆者以摻入0.02%氧化石墨烯作為混凝土的外加劑，分析0.02%氧化石墨烯在混凝土基材的作用機理和研究摻和氧化石墨烯（以下簡稱為GO）對混凝土性能的影響。

1 GO在混凝土中的作用機理

GO的分散性不好，直接用作外加劑則會影響外加劑的作用。為減小GO的分散性對混凝土的影響，利用聚羧酸減水劑復合物(GPC)，通過氫鍵以及酯鍵連接，使聚羧酸長鏈結(jié)構復合在GO片狀結(jié)構上[5~8]。利用復合在GO片層結(jié)構上的減水劑長鏈分子，使GO在減水劑中的分散性得到顯著改善。由于GO的表面積較大以及分散性變強，在混凝土水化過程中，會有更多的氫氧化鈣在GO片狀結(jié)構上結(jié)晶，從而減少氫氧化鈣在GO表面上的聚積，孔隙率大大變小，可以提高混凝土的性能[9~11]。

2 GO對混凝土性能的影響

為測試0.02%GO對混凝土的影響，采取兩組試驗進行對比研究（每組分為6個試件，共計12試件）：一組為摻0.02%GO的混凝土，另一組為不摻GO的混凝土，水膠比為0.28，實驗所需混凝土的配合比設計可根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ 55-2011）進行設計，混凝土配合比為：水4kg、P.0.52.5R的普通硅酸鹽水泥12.2kg，產(chǎn)自山東淄博魯中水泥有限公司，體積安定性檢測合格，中砂19.02kg，級配碎石33.8kg，粉煤灰2.03kg。

2.1 GO對混凝土和易性的影響

為了測試0.02%GO對混凝土和易性的影響，制備兩組混凝土做坍落度試驗，試件分為A、B兩組，兩組進行對照試驗，一組為摻0.02%石墨烯的混凝土，另一組為不摻石墨烯的混凝土，每組6個試件。實驗使用上口100mm、下口200mm、高300mm喇叭狀的坍落度桶，混凝土分三次填裝，每次填裝后用搗錘沿桶壁均勻由外向內(nèi)敲擊25次，搗實后，抹平。然后拔起桶，混凝土因自重產(chǎn)生坍落現(xiàn)象，用桶高(300mm)減去坍落后混凝土最高點的高度，稱為坍落度，實驗數(shù)據(jù)如表1所示：

由表1混凝土坍落度可知：摻入0.02%GO的混凝土坍落度（平均坍落度，下同）比不摻GO的混凝土坍落度小5.83mm。由此可見，摻入0.02%的GO作為制備混凝土的外加劑時降低混凝土8.23%的流動性。

表1 混凝土坍落度

2.2 GO對混凝土抗壓強度的影響

為了測試0.02%GO對混凝土抗壓強度的影響，制備兩組配合比相同的混凝土試塊進行對照試驗，一組為摻GO的混凝土，另一組為不摻石墨烯的混凝土。試塊制備養(yǎng)護后，通過液壓萬能試驗機300B（測量精度為±2%）和抗折試驗裝置對試塊進行每秒鐘0.6MPa連續(xù)均勻地加荷的方式測試兩組混凝土的抗壓強度，數(shù)據(jù)如下列表2所示：

由表2可知：B組在3天的抗壓強度、7天的抗壓強度、28天的抗壓強度都比A組相對的抗壓強度有所增加，其在3天、7天、28天的增加率為8.53%、13.79%、15.25%，這說明摻入0.02%GO的混凝土抗壓強度會增加。另外，A組的7天抗壓強度對照3天抗壓強度其強度增加了99.61%，B組的7天抗壓強度對照3天抗壓強度其強度增加了109.29%，這表明摻入0.02%的GO作為外加劑能夠使混凝土早期的抗壓強度快速增加。

表2 摻入0.02%的GO對混凝土抗壓強度的影響

2.3 GO對混凝土抗折強度的影響

為了測試0.02%GO對混凝土抗折強度的影響，制備兩組配合比相同的混凝土試塊進行對照試驗，一組為摻石墨烯的混凝土，另一組為不摻石墨烯的混凝土。試塊通過制備養(yǎng)護后，通過液壓萬能試驗機300B（測量精度為±2%）和抗折試驗裝置對試塊進行每秒鐘0.6MPa連續(xù)均勻地加荷的方式測試出兩組混凝土的平均抗折強度，如表3所示：

通過表3中兩組混凝土的抗折強度數(shù)據(jù)可知，B組在3天的抗折強度、7天的抗折強度、28天的抗折強度都比A組相對的抗折強度有所增加，其在3天、7天、28天的增加率為16.67%、20%、15.28%，這說明摻入GO的混凝土抗折強度會增加且增長率會在中期達到最大，然后開始下降。另外，A組的7天抗折強度對照3天抗折強度其強度增加了52.78%，B組的7天抗折強度對照3天抗折強度其強度增加了57.14%，這表明摻入0.02%的GO能夠使混凝土早期的抗折強度增加。

表3 摻入0.02%GO對純混凝土抗折強度試驗結(jié)果

2.4 GO對混凝土抗凍性能的影響

本實驗采用慢凍法[12]，通過使用凍融試驗箱、液壓萬能試驗機300B、臺秤等儀器得到由混凝土經(jīng)過50次凍融循環(huán)之后的強度損失和200次凍融循環(huán)之后的質(zhì)量損失來判斷混凝土的抗凍性能，表4、5即是混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)試驗得到的質(zhì)量損失和強度損失數(shù)據(jù)，試件分為A、B兩組，每組6個試件。

其中，混凝土強度損失率△fc50由公式1計算得出：

式中：fc0—凍融循環(huán)之前混凝土試件的強度；

fc50—50次凍融循環(huán)之后混凝土試件的強度；

△fc50—50次凍融循環(huán)之后混凝土試件的強度損失率。

其中，混凝土質(zhì)量損失率△W200由公式2計算得出：

式中：

W0—試塊凍融前的質(zhì)量，單位g；

W200—同一試件200次凍融后的質(zhì)量，單位g；

△W200—200次凍融后試件的質(zhì)量損失率。

由表4，表5可知，A組混凝土經(jīng)50次凍融循環(huán)后的平均強度損失率為3.77%、經(jīng)200次凍融循環(huán)后的平均質(zhì)量損失率為5.8%，B組混凝土經(jīng)50次凍融循環(huán)后的平均強度損失率為1.06%、經(jīng)200次凍融循環(huán)后的平均質(zhì)量損失率為0.18%。由此可見，摻入0.02%的GO作為混凝土的外加劑能夠提高混凝土的抗凍性能。

表4 摻入0.02%GO對純混凝土經(jīng)50次凍融循環(huán)后的強度損失結(jié)果

表5 摻入0.02%GO對純混凝土經(jīng)200次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失結(jié)果

3 結(jié)論

筆者研究0.02%GO做外加劑對混凝土和易性、抗壓抗折強度、抗凍性能的影響，得出了以下結(jié)論：

（1）摻入0.02%的GO作為制備混凝土的外加劑時降低混凝土8.23%的流動性。

（2）摻入0.02%的GO作為制備混凝土的外加劑時，混凝土的抗壓抗折強度得到增強，以0.02%GO為外加劑的混凝土的抗壓強度在3天、7天、28天的增加率為8.53%、13.79%、15.25%，以0.02%GO為外加劑的混凝土的抗折強度在3天、7天、28天的增加率為16.67%、20%、15.28%。通過數(shù)據(jù)分析，摻入0.02%的GO的混凝土早期的抗壓抗折強度快速增加。

（3）摻入0.02%的GO作為混凝土的外加劑能夠提高混凝的抗凍性能。