梁艷

摘 要：石墨烯經(jīng)過強(qiáng)氧化加工后得到氧化石墨烯（GO），以GO為摻料、水泥砂漿為基體原料制備石墨摻雜裝配式結(jié)構(gòu)水泥基復(fù)合材料，已逐漸運(yùn)用于裝配式建筑中。文章制備了不同石墨摻量和石墨摻入方式的復(fù)合材料，研究不同石墨摻量和石墨摻入方式對水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能、水化進(jìn)程和內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

關(guān)鍵詞：氧化石墨烯;水泥基;力學(xué)性能;水化進(jìn)程;內(nèi)部結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）08-0084-05

Preparation of Cement-based Composite Materials for Prefabricated Buildings Based on Graphite Admixture

Liang Yan

（Shaanxi Institute of International Trade&Commerce， Xianyang 712046， China）

Abstract：Graphene was processed by strong oxidation to obtain graphene oxide （GO）. Graphite doped prefabricated structural cement matrix composites were prepared with GO as admixture and cement mortar as matrix raw materials， which have been gradually applied in prefabricated buildings.In this paper， composite materials with different graphite content and graphite incorporation modes were prepared to study the effects of different graphite content and graphite incorporation modes on mechanical properties， hydration process and internal structure of cement-based composite materials.

Key words：graphene oxide; cement-based; mechanical properties; hydration process; internal structure

世界上使用最廣泛的基建材料是水泥基復(fù)合材料{1}，它不僅生產(chǎn)工藝易操作、適用性強(qiáng)，而且原料易獲取及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。水泥基材料包括水泥漿、砂漿和混凝土，但它也存在一些缺點(diǎn)，比如脆性大、低韌性、易開裂、低拉伸等，導(dǎo)致其具有裂縫、孔洞和滲透等問題，嚴(yán)重縮短裝配式建筑的使用壽命，一直以來是導(dǎo)致耐久性薄弱和綜合性能欠缺的主要影響因素{2}。通過向水泥基材料中添加鋼筋、鋼纖維、碳纖維、聚合物纖維等增強(qiáng)材料形成水泥基復(fù)合材料是目前解決這些難題的主要手段。伴隨著裝配式建筑的智能化發(fā)展，制備性價(jià)比高與智能水泥基復(fù)合材料才能更好地滿足人民的期待。通常向?yàn)榱俗屗嗷牧隙喙δ芑?，一般摻入各種改性材料使其多功能化{3}。隨著21世紀(jì)中國冶金、建筑、機(jī)械、制造等行業(yè)的崛起，石墨及其相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)及使用備受關(guān)注，在諸多行業(yè)前景廣闊。將石墨摻入水泥基材料中制備石墨摻雜裝配式結(jié)構(gòu)水泥基復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)式建筑、市政工程、橋梁等領(lǐng)域的裝配式建筑中都有一席之地。目前材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱門之一是石墨烯，石墨烯是一種具有二維結(jié)構(gòu)的碳納米材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能以及電磁屏蔽性能。將石墨烯填充到水泥基材料當(dāng)中，可制備出具有同種多性能的新型水泥基復(fù)合材料{4}。將能夠提高其韌性、 改善其耐久性能， 兼具優(yōu)異的的導(dǎo)電性能和壓敏性能。氧化石墨烯（GO）是石墨烯經(jīng)過強(qiáng)氧化加工后得到的一種新型二維納米材料 ，同樣具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、導(dǎo)電性能等 。GO的運(yùn)用范圍也很多，比如：醫(yī)療衛(wèi)生、建筑制造、航空航天、新能源汽車等行業(yè){5}。劉洪麗等{6}實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在120℃水熱條件下，調(diào)整還原時(shí)間可提取不同還原程度的還原氧化石墨烯（RGO）;隨著GO還原程度的提高，水泥基復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度逐漸強(qiáng)化;RGO能增加水泥基德密度，減少水泥漿體的孔隙率，增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的韌性。國內(nèi)外研究表明 ，適量摻入GO烯優(yōu)化水泥基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高水泥基材料的力學(xué)性能 、導(dǎo)電性能 、抗凍性能和熱敏性能。GO與水泥基材料復(fù)合的過程中仍存在許多矛盾需要解決， 比如抑制GO的團(tuán)聚，優(yōu)化GO與水泥基的界面性能等等。

王建平等{7}試驗(yàn)結(jié)果表明：適量增加石墨微粉可以強(qiáng)化水泥基體的導(dǎo)電性能。但是，削弱了基體的流變形和機(jī)械性能，當(dāng)石墨微粉摻量在10%～20%時(shí)，水泥基復(fù)合材料流變和電學(xué)性能提高。石墨烯是目前為止強(qiáng)度最大、硬度最高、比表面積最大、厚度最薄的完全透明的碳素晶體納米材料。由二維蜂窩狀晶格緊密堆積組成，研究者認(rèn)為它是其它各維碳材料的基本組成單位{8}。納米層間有較強(qiáng)的π-π堆疊和范德華力作用，石墨烯不容易在水溶液或其他常用溶劑中分散。這種材料不親水性、不親油，層與層之間具備范德華力，相互之間容易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象。為了提取呈單片狀存在在水溶液或有機(jī)試劑中的石墨烯分散液，必須重新加工石墨烯，否則會形成塊狀和團(tuán)狀，干燥后會嚴(yán)重影響其工業(yè)效果{9}。因此第一步是獲得高分散性的石墨烯水溶液。目前研究已獲得多種提取方法，主要有機(jī)械攪拌法、超聲處理法、表面修飾法及它們之間的聯(lián)合{10}。錢峰等{11}采用球磨法，以多層石墨烯納米片（GNP）為增強(qiáng)相，加工形成了多種GNP含量的石墨烯納米片水泥基復(fù)合材料（GNP/CBC）。結(jié)果表明，伴隨GNP含量逐漸增加，石墨烯增強(qiáng)的水泥基復(fù)合材料的電導(dǎo)率也得到增強(qiáng)。當(dāng)70℃、GNP含量為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，復(fù)合材料的電導(dǎo)率最高為16.2S/cm，功率因數(shù)最大值為1.6μW/（m·K2）。未來GNP/CBC也許可以應(yīng)用于改善建筑物的室內(nèi)氣候和緩解城市熱島（UHI）效應(yīng)。王之宇等{12}將GO作為添加劑加入發(fā)泡水泥原料中進(jìn)行試驗(yàn)，對氧化石墨烯摻量與發(fā)泡水泥性能之間的關(guān)系及作用機(jī)理進(jìn)行探究。結(jié)果表明，原料中摻入GO可以提高發(fā)泡水泥保溫板的壓縮性能和彎曲能力，可以優(yōu)化發(fā)泡水泥保溫板的微觀結(jié)構(gòu)，GO對發(fā)泡水泥水化產(chǎn)物的產(chǎn)生具有模板和填充影響。水泥/尾礦基發(fā)泡水泥保溫板原料中石墨烯合適添加量為0.02%。王瑤等{13}發(fā)現(xiàn)GO能縮小內(nèi)部孔徑，使水泥漿體內(nèi)部的大毛細(xì)孔轉(zhuǎn)化為小毛細(xì)孔，增加毛細(xì)孔壓力及壓強(qiáng)，起到增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料自收縮的作用。近代以來，國內(nèi)外研究人員對GO納米片增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料不斷研究，他們發(fā)現(xiàn)GO納米片在溶液中易聚沉、結(jié)塊，在水泥基復(fù)合材料中分散性差，因此它的使用遇到瓶頸{14}。羅素蓉等{15}為提高GO的作用效果，使用聚羧酸系高效減水劑（PC）作為分散劑，建立PC-GO在水、水泥漿中的分散模型。超聲分散PC-GO溶液不同時(shí)間段，比如0min、10min、30min、60min和120min，運(yùn)用激光粒度儀、原子力顯微鏡（AFM）和掃描電鏡（SEM）等儀器，了解不同分散時(shí)間下GO的分散能力、分散穩(wěn)定性、力學(xué)性能等。研究表明，GO的最佳分散時(shí)間為30～60min。GO在水泥水化介質(zhì)中穩(wěn)定分散是制備水泥基復(fù)合材料的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。袁小亞等{16}在飽和氫氧化鈣水溶液中添加助分散劑（木質(zhì)素磺酸鈣（木鈣）），協(xié)同聚羧酸減水劑（PC）分散GO，并通過吸光度、原子力顯微鏡、Zeta電位、SEM和XRD等了解了木鈣對GO的分散能力及復(fù)摻對水泥砂漿力學(xué)性能的作用。發(fā)現(xiàn)木鈣與PC都有良好的協(xié)同分散GO的功效。

因此，本文將運(yùn)用石墨作為基礎(chǔ)材料，協(xié)同助分散劑、水泥等原料共同制備裝配式建筑用水泥基復(fù)合材料。并研究基于石墨摻加的裝配式建筑用水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能、水化進(jìn)程及微觀結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

本研究使用的化學(xué)物質(zhì)有： 石墨 （ 含碳量99.2% ）、濃硫酸（H2SO4 96% ）、高錳酸鉀（KMnO4）、硝酸鈉（NaNO3）、過氧化氫（H2O2 32% ）。 水泥選取硅酸鹽水泥，砂采用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。水泥（江西民煌建材公司生產(chǎn)，普通硅酸鹽水泥 P.039.2R），水泥的性能指示如表1所示;標(biāo)準(zhǔn)砂（福建森森佳標(biāo)準(zhǔn)砂）、減水劑（ 康達(dá)建材，聚羧酸減水劑PC）、石墨烯（通過熱還原法加工）。 砂的級配如表 2 所示。

1.2 GO的制備

采用改進(jìn)的Hummer法制備GO，將4g石墨、78mLH2SO4、3gNaNO3均勻混合在1L的燒杯中，在4℃環(huán)境下攪拌40min。然后分3次在燒杯中緩慢加入10gKMnO4，保持混合物的溫度不超過5℃，不斷攪拌混合溶液大約50min。下一步，將混合溶液加熱到30℃，繼續(xù)攪拌90min。然后加入400g去離子水，溫度調(diào)整到92℃反應(yīng)60min。最后再次加入700g去離子水和19mL的32%H2O2溶液，促使氧化反應(yīng)停止。充分氧化后，除去溶液之中的殘余離子，阻止污染物與水泥基復(fù)合材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。多次用去離子水對溶液進(jìn)行離心過濾，用pH試紙反復(fù)檢測洗滌液的酸堿度，直到pH值為7.0。用去離子水充分稀釋黏糊狀的GO，攪拌40min，運(yùn)用細(xì)胞破碎儀超聲30min以上，將溶液密封沉淀48h后，制出實(shí)驗(yàn)用的GO，濃度為7mg/mL。

1.3 水泥基復(fù)合材料制備及試驗(yàn)方法探究

根據(jù)試驗(yàn)繪制了不同GO摻量下的水泥凈漿流動度特性曲線。試驗(yàn)的相關(guān)變量通過GB/T8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)制定。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)水灰比為水：水泥=100∶33制備水泥漿料，稱量固定重量的離子水、GO分散液、PCs，將這3種化學(xué)物質(zhì)混合均勻。根據(jù)固體摻入量記算水泥的重量約300g，將混合液和水泥一起倒入攪拌鍋中，試驗(yàn)嚴(yán)格控制PCs的摻量維持在300mm以上，測量流淌部分最大直徑，將它作為初始流度，每隔30min測量1次不同GO摻量下水泥基復(fù)合材料的流動度。記錄GO摻入量在0%、0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.09%時(shí)的水泥凈漿流動特性數(shù)值。測量后的樣品放入提前準(zhǔn)備好的模具中，恒溫濕箱濕度嚴(yán)格控制在92%，溫度30℃。分別養(yǎng)護(hù)3d、7d、28d后將恒溫箱中的樣品脫模，所得復(fù)合材料用于彎曲、壓縮測試。然后泡在自來水中，最后粗加工成50mm×50mm×160mm水泥樣品。水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能測試如下所示：確定彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度的加載速率分別為0.25MPa/s和0.8MPa/s。水泥基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)觀察使用的儀器為HITACHIS-4800型號掃描電鏡。首先將水泥試塊人為破碎，然后置于55℃恒溫容器中烘干，在烘干后破碎試塊表面噴金，然后運(yùn)用掃描電鏡進(jìn)行微觀形貌觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 GO對水泥砂漿的力學(xué)性能影響

由圖1所示， 1號為空白組，2～6號為分別摻入GO配比為0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.09%的對照組，其力學(xué)強(qiáng)力分別比1號空白組提高了 9.23%、11.25%、42.90%、26.12%、22.45%，研究得出當(dāng)GO配比為0.03%，水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)力達(dá)到最大值，明顯提升裝配式建筑水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度，壓縮強(qiáng)度較對照組明顯提升了60.98%。研究表明適量的GO摻入量可以改善水泥基復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度。

圖2、3為GO摻量對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的作用。水泥基復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度與壓縮強(qiáng)度因GO摻量的增加而不斷增加。

由圖2可知曉，齡期為3d時(shí)，K2試件的彎曲強(qiáng)度較基準(zhǔn)試件K0提高了17%，但即使繼續(xù)摻加GO，水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度持續(xù)不變。推測可能是因?yàn)镚O納米微結(jié)構(gòu)內(nèi)包含大量的含氧基團(tuán)與孔隙中自由水的H原子相互緊密結(jié)合，水泥的水化受到抑制，因此產(chǎn)生的C-S-H基團(tuán)明顯減少，影響了水泥基復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提升。貯藏時(shí)間滿足標(biāo)準(zhǔn)齡期時(shí)，K1和K2試件的彎曲強(qiáng)度與同期基準(zhǔn)試件相比，分別增加了13.2%和26.8%。推測是水泥基復(fù)合材料貯藏時(shí)間充足，水化程度充分，生成的C-S-H基團(tuán)充足，因此GO得以完全與水化產(chǎn)物相互作用，所以彎曲強(qiáng)度與同期基準(zhǔn)試件相比更良好。

GO摻量對水泥基復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度產(chǎn)生的影響明顯不同。如圖3所示，在3d齡期時(shí)，K1和K2試件壓縮強(qiáng)度比基準(zhǔn)試件分別提高了8.2%和11.3%，研究表明摻入GO可以加快水泥基復(fù)合材料的水化過程;然而在經(jīng)過28d養(yǎng)護(hù)后，K1和K2試件與同期基準(zhǔn)試件相比壓縮強(qiáng)度低于3d齡期，分別提高了4.3%和8.2%。通過SEM觀察粉碎后的水泥基復(fù)合材料，可以發(fā)現(xiàn)摻入GO的水泥基材料內(nèi)部更加緊密，研究表明GO可以與水泥砂漿中的活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變水泥原來的物理機(jī)構(gòu)和化學(xué)作用，具有模板和組裝水泥基晶體的作用，并擴(kuò)大了水泥基復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度，研究表明GO的摻入既可以增加水泥基復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度，也可以增加水泥基復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。

2.2 GO對水泥基復(fù)合材料水化環(huán)節(jié)的影響

通常水泥漿體摻入GO后的水化熱曲線與純水泥漿體的水化熱曲線發(fā)生了微妙的變化，這是因?yàn)镚O有促進(jìn)水泥水化的功能，可以增加水泥的熱流峰值，降低水泥水化的誘導(dǎo)時(shí)間。當(dāng)向水泥砂漿中加入PC與GO混合分散液時(shí)，會延遲水泥水化進(jìn)程，這是因?yàn)镻C具有吸附作用，有減慢水泥水化進(jìn)程的作用。但是隨著時(shí)間的延長，陰陽離子緩慢克服PC的空間位阻效應(yīng)，與GO親密接觸。研究表明，在水化進(jìn)行2h以上后，PC與GO水泥砂漿的混合物形成加快，然后飛速增長。同時(shí)GO有自身特性，例如比表面積很大和活性官能團(tuán)豐富，可以形成核心，被水化產(chǎn)物緊密包裹，因此快速增加水化產(chǎn)物的熱流峰值。

2.3 GO對水泥基復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響

沒有人工加工過的GO，在水泥基復(fù)合材料內(nèi)部容易發(fā)生團(tuán)聚，表現(xiàn)成較為緊密的海帶樣水化物。這些海帶樣水化物與水泥基質(zhì)緊密結(jié)合成一個(gè)整體，加固水泥基復(fù)合材料的韌性和密度，具有改變水泥基復(fù)合材料料的力學(xué)性能的功能;隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，研發(fā)了多種方法縮小GO的尺寸，水泥基復(fù)合材料的水化產(chǎn)物發(fā)生了天翻地覆的改變。摻入0.03%的G0時(shí)，通過球磨法形成單層微納米片，與水泥砂漿共同形成片狀水化物結(jié)構(gòu)，通過電子顯微鏡觀察，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的內(nèi)部空隙明顯減少，研究表明縮小GO尺寸有促進(jìn)水泥水化的作用，同時(shí)水泥基質(zhì)空隙逐漸變小，結(jié)構(gòu)性建筑水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能得到明顯加強(qiáng)。縮小GO尺寸促進(jìn)水泥基復(fù)合材料內(nèi)部形成板狀結(jié)構(gòu)，為未來的裝配式建筑的研究指明了新的研究方向。

綜上所述， 將GO摻入到水泥砂漿之中， 會改變水泥砂漿水化產(chǎn)物的原始形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，這些改變主要的原因是GO比表面積相對其他材料更大，可以為各種化學(xué)反應(yīng)的提供連接位點(diǎn)， 加速水泥砂漿的水化反應(yīng)過程， 反應(yīng)空間更大、更開闊，水泥結(jié)晶形式和方式都發(fā)生了相應(yīng)的改變。GO尺寸微小，能夠填充水泥砂漿內(nèi)部存在的孔洞、 裂縫， 讓成型后的水泥基復(fù)合材料密度更大， 具有改善水泥砂漿復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的作用， 同時(shí)促進(jìn)了水泥砂漿復(fù)合材料的力學(xué)性能{17}。

3 結(jié)論

中國地廣物博，石墨資源相對豐富，近年來國家政策大力扶持，越來越多的專家、科研工作者和科研企業(yè)加入石墨能源的開發(fā)和利用研究之中。同時(shí)石墨的需求量也與日俱增，在各個(gè)領(lǐng)域中多逐漸運(yùn)用，土木工程行業(yè)的需求最為巨大，但是，科研工作者面臨的難題也越來越多，需要逐一突破。因此，開展基于石墨摻加的裝配式建筑用水泥基復(fù)合材料制備的研究是一項(xiàng)挑戰(zhàn)也是一個(gè)機(jī)遇。

文章采用優(yōu)化后的Hummers 法制備了性價(jià)比更高的GO溶液， 然后將GO摻入水泥砂漿混合形成水泥基復(fù)合材料。研究了不同配合下GO對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能、水化進(jìn)程和微觀結(jié)構(gòu)的影響， 可得出以下結(jié)論：①適量的GO摻入量可以改善水泥基復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度;②水泥基復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度與壓縮強(qiáng)度因GO摻量的增加而不斷增加;③GO可以與水泥砂漿中的活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變水泥原來的物理機(jī)構(gòu)和化學(xué)作用，具有模板和組裝水泥基晶體的作用，并擴(kuò)大了水泥基復(fù)合材料的壓縮及彎曲強(qiáng)度。

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