氧化石墨烯摻加在水泥基材料的應用研究

王遠貴

摘 要：氧化石墨烯（GO）表面有多種活性官能團，溶于水，它粒徑非常小、層薄、比表面積大。本文從GO的制備方法、分散方法，總結了其對水泥基復合材料的性能的影響，描述了目前氧化石墨烯應用于水泥基材料的現狀和存在的一些問題，為今后的研究提供一些參考。

關鍵詞：GO；增強；水泥基材料；力學性能

GO是石墨烯片層經過氧化而來的衍生物，由碳苯環單層排列而成，分子結構中含有-OH、-COOH等，有很大的比表面積。氧化石墨烯由于被氧化的程度不同被認為是一種不規則不均勻存在的碳材料，由于它獨特的結構和性能，GO可以得到很多科學應用，目前，國內外許多學者將GO材料應用到水泥基材料中，研究了GO對水泥基材料的強度、微觀形貌、和對水泥水化熱的影響以及對水泥基材料的的抗滲性，抗凍性影響等[1]。GO分解在水溶液中易形成分散片層，以此用于水泥拌合可以改善晶體的生長結構和凝膠石數量來改善水泥基復合材料的強度和耐久性。

1. 氧化石墨烯制備

目前GO的制備方法，以化學方法制備為主，原理是用酸和氧化劑共同處理石墨，生成石墨層間化合物，然后使用強氧化劑深度氧化，然后進行分解得到氧化石墨，最后通過過濾水洗的方式去除雜質之后，再經過超聲和攪拌得到氧化石墨烯的水溶液。此類制備方法的缺點在于會產生有害氣體，造成環境污染；對制備的GO進行水洗和過濾，增加了過程工藝的復雜性。近幾年已經發展到采用更為簡單，更低廉成本，更環保綠色的電化學方法制備GO，這種方法制備的GO材料具備更好的物理化學性能。

2. GO的分散

GO具有很大的比表面積，很容易發生粘聚，GO的在水溶液中分散得品質直接影響著水泥基復合材料的性能，因此，GO應采取措施將其均勻地分散到水中形成水溶液，然后用到復合材料中。目前，氧化石墨烯分散的辦法有超聲波分散法、電泳分散法。超聲波分散法是利用超聲波在水中產生的氣泡瞬間破裂時產生的沖擊波，克服GO分子間的引力作用，以此達到分散的目的。電泳法是在溶液中通電，利用電場作用使GO分子分散[2]。目前常采用添加外加劑的方法對進行分散。外加劑常利用空間位阻效應和庫侖力防止阻止GO聚集，促使GO分散?，F在有很多對GO進行分散的外加劑研究，表明，存在有效的外加劑可以對GO水溶液進行分散，且分散效果穩定性良好。GO在水泥漿液中會發生聚沉現象，所以可以用外加劑作為水泥漿中的分散劑將水泥漿中的GO分散，發揮GO的作用?？擅黠@改善水泥基材料的抗壓強度、抗折強度及耐久性。

3. GO在水泥基材料中的應用

3.1 GO對水泥基材料的增強作用

在聚羧酸減水劑的作用下，GO能在水泥漿體中得到更好分散，以此發揮GO的納米材料性能。呂生華[3-5]等發現GO在適當的摻量下可對水泥石中水泥水化產物晶體的生長有模板作用和促進作用，它能夠促進水泥水化產物形成規則的晶體，從而對凝膠石有顯著的增強作用，特別是對早期強度影響更為明顯[6]。有也研究者發現適量的GO能夠增加水泥凝膠石晶體的數量，減少水泥石的大孔，增加微孔結構，改善水泥石的抗滲和抗凍性，增強水泥基材料的耐久性。GO的增強水泥基材料作用包括填空作用、模板作用和連接作用。水泥凝膠石多為無規則的無定形的雜亂無章的針棒狀晶體，這些都是造成水泥基材料缺陷的本源。GO的加入可促進晶體生成及增加晶體數量，彌補水泥石裂縫，改善孔結構，進而改善水泥基材料的強度和抗裂性。

3.2 GO對水泥基材料耐久性的改善作用

GO促進水化產物晶體生長，可以填充不同尺寸的孔徑，孔徑分布越小，裂縫減少減小，使氯離子遷移更困難，進而相對保護了水泥石的抗氯離子滲透性。GO通過改善漿體的孔結構，切斷了水在水泥石中的通過，對其耐久性有顯著地提升，摻加GO的水泥石表現出良好的抗滲能力。GO的大表面積決定了其須在一個恰當的摻量范圍，摻量過少則起不到作用，摻量過多則會吸收大量的自由水，反而使賦予流動的水減少，使拌合物變干，增大空隙，起到反作用。在對抗凍性影響方面，由于GO的加入，改善了水泥石內部微小孔徑，使水分子在細小的空隙內較難發生凍結，改善了水泥基材料的抗凍性。水泥石材料侵蝕主要是因為SO42-的通過擴散進入水泥石內部，與水泥石發生化學反應，引發水泥石的侵蝕。當環境中存在Mg2+時，Mg2+可以加速侵蝕反應，生成松散的Mg（OH）2和CaSO4·2H2O，并降低了水泥石內部的堿性，造成鹽腐蝕。GO的摻加后由于更密實的C-S-H晶體生長和更微小的縫隙，孔洞，阻斷了SO42-的遷移通道，對水泥石侵蝕減小，耐久性增強。

4. GO對水泥基材料影響機理

水泥的主要成分包括硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣，通過水泥的水化反應，生成呈針棒狀的鈣礬石、單硫型水化硫酸鈣，針狀、片狀的氫氧化鈣和無規則形狀凝膠石，由于這些水化物無規則，晶體生長錯亂交替，所以水泥石存在裂縫，空隙等缺陷。GO加入后能促進水泥水化，為晶體生長提供模板，促進水化產物生長，使微觀結構變得致密，填充基體空隙和裂縫，減少水泥石缺陷，提高了水泥石的強度和耐久性。GO薄片可以附著晶體，可以減少微觀孔徑，以及水泥硬化體的孔隙率，只要這些晶體在空隙，微小裂縫以及其他的一些缺陷結構內產生，這些水化物晶體則會沿著不同方向生長蔓延，所以GO有填隙效應、連接以及阻斷微裂縫生長的作用[7]。

5. 結語

目前GO研究成果表明，GO具有促進水化晶體生長的作用，并填充水泥基體的孔隙和限制裂縫的延申，提高了水泥漿體的強度和耐久性。在水泥漿體中必須使GO盡量分散，但是目前就如何使GO在水泥凈漿中均勻分散還需要深入研究。GO摻加水泥基復合材料產生的影響機理探索，從微觀分析對解釋GO在對水泥基材料宏觀上的促進和調節作用具有重要意義。由于水泥水化的復雜性，在GO對水泥基復合材料的影響也是復雜多樣，還有很多領域在目前研究中沒有研究透徹。隨著各種檢測，分析技術的日趨完善，充分利用這些先進檢測工具，對GO在水泥基復合材料中的應用研究，提供有效支撐。

參考文獻

[1] 王琴，王健，呂春祥，等.氧化石墨烯對水泥基復合材料微觀結構和力學性能的影響[J].新型炭材料，2015，30（4）：349-356.

[2] 張則瑞，吳建東，等.氧化石墨烯（GO）在水泥基復合材料中的應用研究進展[J]. 硅酸鹽通報，2017，36（9）3008-3019.

[3] 呂生華，孫婷，等.納米氧化石墨烯對水泥復合材料中水化晶體結構的控制及增韌作用[J].混凝土，2013，11：1-6.

[4] 趙海鋒，呂生華，鄧麗娟.氧化石墨烯增強增韌水泥基復合材料的結構和性能[J].陜西科技大學學報：自然科學版，2016，34（3）：60-64.

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[7] 曹明莉，張會霞，張聰.石墨烯對水泥凈漿力學性能及微觀結構的影響[J]. 哈爾濱工業大學學報，2015，47（12）：26-30.