弓中偉，王穎

（1.新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利建筑工程分院，新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)，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(zhì)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(yīng)用于建筑物的墻體保溫結(jié)構(gòu)中[1]。然而，泡沫混凝土的多孔結(jié)構(gòu)同時(shí)也使其面臨強(qiáng)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(yīng)用與發(fā)展。

氧化石墨烯作為一種二維增強(qiáng)材料，其彈性模量高達(dá)1050 GPa。同時(shí)，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(tuán)[3]。目前，氧化石墨烯已被廣泛應(yīng)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(yīng)、模板效應(yīng)，可有效改善水泥基材料的物理力學(xué)性能。呂生華等[4-6]研究表明，氧化石墨烯可調(diào)控水化產(chǎn)物形貌，促使水化產(chǎn)物規(guī)整，從而改善水泥基材料的力學(xué)性能。王琴等[7]研究表明，氧化石墨烯可調(diào)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(chǎn)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(kuò)展，提高基體力學(xué)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(qiáng)劑，研究氧化石墨烯摻量和分散性對泡沫混凝土力學(xué)性能、吸水率、干密度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律。并通過觀察泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，探究氧化石墨烯在泡沫混凝土中的作用機(jī)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(yàn)

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(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；聚羧酸高效減水劑：MX-H型，重慶海煌實(shí)業(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(yàn)方法

設(shè)計(jì)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(zhì)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(jìn)行預(yù)處理，分散時(shí)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(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為（20±5）℃，相對濕度為（70±5）%。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d。

參照J(rèn)G/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(qiáng)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(guān)特性的測定防護(hù)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(dǎo)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(yàn)結(jié)果與討論

2.1 氧化石墨烯對泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

氧化石墨烯摻量及分散性對泡沫混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)度的影響

由圖1可見，未摻氧化石墨烯的基準(zhǔn)組抗壓強(qiáng)度為0.7 MPa，而摻入氧化石墨烯后，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)氧化石墨烯摻量為0.6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度均達(dá)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(qiáng)度為1.0 MPa，較基準(zhǔn)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(qiáng)度分別為1.10、1.15 MPa，較基準(zhǔn)組提高分別為57%、64%。同時(shí)可見，隨著分散時(shí)間的延長，氧化石墨烯對泡沫混凝土的增強(qiáng)效果愈加顯著，分散時(shí)間為120 min的氧化石墨烯增強(qiáng)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(yīng)[11]，可促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，提高其水化程度，使水化產(chǎn)物增多從而改善力學(xué)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(tuán)，在水泥的水化過程中可作為水化產(chǎn)物生長的模板，從而使水化產(chǎn)物更加規(guī)整，提高基體的力學(xué)性能[4]。然而，當(dāng)氧化石墨烯摻量由0.6%增加至0.8%時(shí)，GO-0組和GO-30組的抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢，GO-120組的抗壓強(qiáng)度不再提高，這可能是由于氧化石墨烯摻量增大后極易團(tuán)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(zhǔn)組的干密度為315 kg/m3。采用未分散處理的氧化石墨烯進(jìn)行改性時(shí)，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(dāng)摻量為0.8%時(shí)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(yīng)使水泥的水化更加充分，水化產(chǎn)物生成增多導(dǎo)致。而采用經(jīng)過30 min和120 min分散處理的氧化石墨烯進(jìn)行改性時(shí)，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(dāng)氧化石墨烯摻量為0.4%時(shí)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(dòng)度降低，屈服應(yīng)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(chǎn)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(shí)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(xué)性能的規(guī)律一致，即分散處理可增強(qiáng)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(zhǔn)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(dāng)氧化石墨烯摻量為0.8%時(shí)，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(nèi)的氣泡變得細(xì)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(shí)長延長能進(jìn)一步提高改性效果。這是因?yàn)?，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(dǎo)熱系數(shù)的影響（見圖4）

圖4 氧化石墨烯對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖4可見，基準(zhǔn)組的導(dǎo)熱系數(shù)為0.072 W/（m·K），摻入氧化石墨烯時(shí)，泡沫混凝土的導(dǎo)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(shí)，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)最小，為0.053 W/（m·K），較基準(zhǔn)組降低了26.4%。氧化石墨烯的模板效應(yīng)使水化產(chǎn)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(dǎo)熱系數(shù)有所降低，保溫隔熱性能得到提升。但當(dāng)氧化石墨烯摻量繼續(xù)增大至0.8%時(shí)，GO-0組和GO-30組的導(dǎo)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(shí)的團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致晶核作用、模板效應(yīng)等作用減弱，泡沫混凝土中連通孔數(shù)量增多，導(dǎo)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(dǎo)熱性能，當(dāng)摻量增大時(shí)，氧化石墨烯之間出現(xiàn)團(tuán)聚堆疊，使泡沫混凝土內(nèi)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(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)分析

試驗(yàn)對比了基準(zhǔn)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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)

從圖5可見，基準(zhǔn)組水化產(chǎn)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(chǎn)物表面附著大量細(xì)小的簇狀水化產(chǎn)物，如圖6（b）所示，此類水化產(chǎn)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(chǎn)物在其表面生長，生成了更加規(guī)整的簇狀水化產(chǎn)物，從而改善基體的微觀結(jié)構(gòu)，有效降低微裂紋的發(fā)展。

3 結(jié) 論

（1）氧化石墨烯的摻入可有效提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，其中摻量為0.6%時(shí)增強(qiáng)作用最顯著，相較于基準(zhǔn)組，未分散的氧化石墨烯抗壓強(qiáng)度提高了43%，超聲分散120 min的氧化石墨烯抗壓強(qiáng)度提高了64%。當(dāng)氧化石墨烯摻量繼續(xù)增大至0.8%時(shí)，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)為0.053 W/（m·K），相較于基準(zhǔn)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(chǎn)物中的微裂紋減少，由于其模板效應(yīng)生成的簇狀水化產(chǎn)物可降低微裂紋的發(fā)展。