氧化石墨烯混凝土研究綜述及展望

林澤樺　王兵　閔金偉

摘 要：氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）混凝土作為一種新型材料，具有良好的力學性能和耐久性。因此，綜述GO的特性、制備技術(shù)及其對混凝土工作性能、力學性能及耐久性的影響。結(jié)果表明，目前對于GO混凝土的研究仍處于初步探索階段，由于其自身優(yōu)異的性能，未來將成為工程領(lǐng)域研究的熱點。

關(guān)鍵詞：氧化石墨烯（GO）;GO混凝土;工作性能;力學性能;耐久性

中圖分類號：TU528文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）11-0120-03

Review and Prospect of Graphene Oxide Concrete

LIN Zehua WANG Bing MIN Jinwei

（School of Civil and Surveying Engineering， Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou Jiangxi 341000）

Abstract： As a new material， graphene oxide concrete has good mechanical properties and durability. This paper summarizes the characteristics and preparation technology of graphene oxide， and the influence of graphene oxide on the workability， mechanical properties and durability of concrete. The results show that the research of graphene oxide concrete is still in the initial stage of exploration. Due to its excellent performance， it will become a research hotspot in the engineering field in the future.

Keywords： Graphene Oxide（GO）;Graphene Oxide concrete;working performance;mechanical property;durability;review and prospect

自問世以來，混凝土一直是工程領(lǐng)域的重要建筑材料。由于其具有材料來源廣泛、價格低以及可塑性好等優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于橋梁、道路、房建以及大壩等重要領(lǐng)域。近年來，隨著國家的快速發(fā)展，我國越來越向大跨度、超高層、跨海和大型重力壩等特大工程項目發(fā)展。傳統(tǒng)混凝土在實際工程中暴露出抗拉強度低、耐久性不足、早期易開裂以及混凝土服役年限遠遠低于其設(shè)計使用年限等問題。

為了改善傳統(tǒng)混凝土技術(shù)存在的耐久性不足、抗拉強度低等問題，一些學者[1-2]對混凝土進行了研究。例如，有人將纖維加入混凝土中制備出了纖維混凝土，能改善混凝土抗拉強度、韌性，抑制早期裂紋和有效阻止混凝土大裂紋的形成。但是，纖維的加入并沒有從根本上改變混凝土自身的結(jié)構(gòu)和韌性，只是纖維自身特性改變了混凝土整體結(jié)構(gòu)的強度和韌性。

近年來，氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）混凝土引起了人們的關(guān)注，國內(nèi)外一些學者對GO混凝土展開了一系列研究。薛立強研究發(fā)現(xiàn)，將GO以外加劑的形式加入混凝土，能明顯改善混凝土的力學性能和抗氯離子性能[3]。饒春華在水泥砂漿和混凝土中加入GO，結(jié)果顯示，GO能改善水泥砂漿和混凝土的抗壓強度和耐久性等各項力學性能[4]。LI等通過在水泥漿體中加入GO，證明相較于普通混凝土，GO混凝土的電阻系數(shù)和抗壓強度都有明顯改善[5]。

1 氧化石墨烯

氧化石墨烯（GO）是石墨烯的一種衍生物，是石墨烯氧化過程的中間產(chǎn)物。GO表面存在大量含氧官能團，如圖1和圖2所示，因此其性質(zhì)比石墨烯更活潑，經(jīng)氧化后仍保持了石墨的單層片狀結(jié)構(gòu)。親水性分子和聚合物通過與GO表面含氧官能團反應(yīng)形成離子鍵，共價鍵氫鍵等插入GO層間形成化合物，所以GO具有很好的親水性。

2 氧化石墨烯對混凝土工作性能的影響

邱文俊等研究了不同摻量的GO對超高性能混凝土流動度的影響[6]。結(jié)果表明，隨著GO摻量百分比的提高，超高性能混凝土流動度逐漸降低。這是因為GO具有超小的尺寸和粒徑，在膠凝材料中具有的小尺寸效應(yīng)和GO自身較大的比表面積，使得超高性能混凝土的流動度降低[7]。呂生華等通過研究GO對摻有聚羧酸系減水劑的水泥凈漿流動度、黏度和凝結(jié)時間的影響時發(fā)現(xiàn)，與未摻有GO的水泥凈漿相比，GO能夠明顯增加水泥凈漿的黏度，降低水泥凈漿的凝結(jié)時間[8]。究其原因，可能是GO表面含有的大量含氧官能團與水反應(yīng)，減少了水泥凈漿中自由水的含量、GO的小尺寸效應(yīng)和較大的比表面積。劉洋等在GO等納米材料對水泥基復合材料性能改善研究綜述中提到，GO有很好的親水性，GO片層有較大的比表面積吸附水分子[9]。由于缺乏游離的水，膠凝顆粒和材料之間缺乏潤滑，增大了摩擦力，導致混凝土流動性降低，減小了坍落度，降低了工作性能，且隨著GO摻量的增加，混凝土的工作性能越來越差。徐朋輝等研究發(fā)現(xiàn)，GO能明顯促進粉煤灰水泥水化速率，使水化提前，并隨著GO摻量的提高，現(xiàn)場愈加顯著[10]。

3 氧化石墨烯對混凝土力學性能的影響

李梅萍提出石墨烯自身特有的材料性能與再生混凝土結(jié)合，解決了再生骨料大量的微裂紋和再生混凝土強度低等問題，促進了建筑垃圾-再生骨料的循環(huán)利用，符合綠色發(fā)展的生產(chǎn)理念[11]。研究表明，混凝土中摻入石墨烯可以大大降低混凝土生產(chǎn)過程中的CO2排放量。楊文玲等研究GO在摻量為0.08%的情況下，礦渣水泥28 d的抗壓強度提高了10%，混凝土28 d的抗壓強度提高了5.8%，且顯著提高了混凝土的流動性、抗OH-的侵蝕系數(shù)和抗SO42-的侵蝕系數(shù)[12]。薛立強研究在隧道襯砌材料中以外加劑的形式添加不同摻量（0%、0.01%、0.02%、0.03%）的GO，并進行了各項力學性能測試[3]。結(jié)果表明，當GO的摻量為0.03%時，混凝土的各項力學性能提高最為明顯。GO混凝土在標準養(yǎng)護28 d時，抗壓強度為55.93 MPa，與普通混凝土相比提高了30.77%;抗折強度為10.90 MPa，與普通混凝土相比抗折強度提高了21.92%。郭凱等通過對納米壓痕測試GO在再生混凝土界面過渡的微觀力學性能，發(fā)現(xiàn)GO能使再生混凝土新砂漿和骨料界面過渡區(qū)的寬度減少25%，使GO混凝土新舊砂漿界面過渡區(qū)寬度減少37.5%[13]。由于GO的加入，兩種再生混凝土界面過渡區(qū)的彈性模量均有一定的提高，且對于GO新舊砂漿界面過渡區(qū)的彈性模量提高尤為明顯。GO能明顯改善混凝土界面過渡區(qū)的微觀力學性能和微觀結(jié)構(gòu)。李加鵬等研究了5種不同GO摻量的GO混凝土，結(jié)果表明在單軸受壓情況下，與不摻GO混凝土相比，抗壓強度最大值可提高35%[14]。

4 氧化石墨烯對混凝土耐久性能的影響

薛立強利用氯離子擴散系數(shù)儀測定GO對水泥基復合材料抗氯離子侵蝕性能的影響，結(jié)果表明，與未摻加GO的水泥基復合材料相比，GO水泥基復合材料隨著GO含量的提高，氯離子侵蝕深度逐漸降低且分布均勻，說明GO對水泥基復合材料抗氯離子侵蝕性能有明顯的提高作用[3]。呂生華等通過調(diào)控水灰比研究不同摻量的GO（0.03%和0.05%）對超高性能水泥基復合材料的抗?jié)B性、抗凍性和抗碳化性能的影響，結(jié)果表明，摻有氧化石墨烯的超高性能水泥基復合材料的抗?jié)B性明顯提高，說明氧化石墨烯對水泥基復合材料的致密性有明顯的改善作用[15]。經(jīng)過100次凍融循環(huán)，結(jié)果摻有GO的水泥基復合材料的質(zhì)量和動態(tài)模量基本沒有損失。摻有GO的水泥基復合材料的碳化深度明顯小于未摻加GO的水泥基復合材料，說明摻有GO的水泥基復合材料的密實度好，能有效阻止CO2氣體的滲入。

5 結(jié)論與展望

目前，GO混凝土仍處于初步發(fā)展階段，國內(nèi)對GO混凝土在工程上的應(yīng)用仍然較少，但GO混凝土自身優(yōu)異的性能得到了廣泛關(guān)注，在未來的工程應(yīng)用中將會成為熱點問題。

①加入GO對混凝土的各項力學性能都有明顯的改善作用，特別是對再生混凝土，很好地解決了再生混凝土強度低、達不到性能要求的問題，因為GO的加入，使得片成狀生長更有序，結(jié)構(gòu)更為致密。

②試驗表明，GO水泥基復合材料的耐久性更好，很好地解決了混凝土早期易開裂損壞和混凝土結(jié)構(gòu)易疲勞開裂的兩大難題。

③隨著GO的摻入，新拌混凝土的工作性能變差，且GO的摻量越大工作性能越差，因此如何有效改善這一問題是需要繼續(xù)研究的一個重要課題。

參考文獻：

[1]王艷，趙凱月，宋戰(zhàn)平，等.鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土研究進展[J].硅酸鹽通報，2015（7）：1885-1890.

[2]王志旺，楊鼎宜，王金輝，等.聚丙烯腈纖維混凝土耐久性能試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2019（11）：49-52.

[3]薛立強.氧化石墨烯對隧道襯砌混凝土性能的影響[J].科學技術(shù)與工程，2017（22）：124-128.

[4]饒春華.氧化石墨烯水泥基再生混凝土材料主要力學性能試驗與分析[D].南昌：南昌大學，2016：23.

[5]LI W J，LI X Y，CHEN S J.Effects of graphene oxide on eraly-age hydration and electrical resistivity of Portland cement paste[J].Construction and Building Materials，2017（4）：506-514.

[6]邱文俊，羅旗幟，吳玉友，等.氧化石墨烯對大摻量礦物細粉超高性能混凝土力學性能的影響[J].佛山科學技術(shù)學院學報（自然科學版），2020（2）：5-10.

[7]MENG W，KHAYAT K H.Mechanical properties of ultra-high-performance concrete enhanced with graphite nanoplatelets and carbon nanofibers[J].Composites Part B，2016，107：113-122.

[8]呂生華，馬宇娟，邱超超，等.氧化石墨烯增強增韌水泥基復合材料的研究[J].功能材料，2013（15）：2227-2231.

[9]劉洋，艾洪祥，岳彩虹，等.氧化石墨烯等納米材料對水泥基復合材料性能改善研究綜述[J].商品混凝土，2019（11）：24-30.

[10]徐朋輝，李相國，劉卓霖，等.氧化石墨烯對粉煤灰水泥的水化和力學性能的影響[J].硅酸鹽通報，2016（12）：4066-4069.

[11]李梅萍.石墨烯混凝土智能特性、優(yōu)化機理及其應(yīng)用[J].中國高新科技，2019（19）：64-67.

[12]楊文玲，張雖栓，趙宗彥.氧化石墨烯對礦渣粉磨和水泥混凝土性能的影響[J].水泥，2018（6）：6-9.

[13]郭凱，馬浩輝，王強.氧化石墨烯對再生混凝土界面過渡區(qū)的影響[J].建筑科學與工程學報，2018（5）：217-224.

[14]李加鵬，秦磊，趙鵬，等.氧化石墨烯混凝土的聲發(fā)射檢測[J].無損檢測，2019（8）：6-10.

[15]呂生華，孫立，張佳，等.具有大規(guī)模規(guī)整致密花狀微觀結(jié)構(gòu)形貌高/超高性能氧化石墨烯/水泥基復合材料[J].材料導報，2017（23）：78-84.