氧化石墨烯改性水泥基復(fù)合材料的路用性能分析

畢曉茜

（徐州工程學(xué)院，江蘇徐州 221000）

我國(guó)地大物博，石墨資源儲(chǔ)量較大，在全世界石墨資源總量中占比約為70%。GO 是歷經(jīng)石墨養(yǎng)護(hù)與分散獲得的產(chǎn)物，有制取工藝成熟、能夠批量化生產(chǎn)等諸多特征，把GO 用于水泥基復(fù)合材料生產(chǎn)領(lǐng)域中，在資源量、成本等諸多方面均占據(jù)優(yōu)勢(shì)。以往有資料記載[1]，當(dāng)GO 的摻入量為0.03%時(shí)，混凝土成本增量為15～20 元/m3，能使水泥使用量減少20%～30%，后期運(yùn)維階段資金投入量也有降低，表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 水泥基復(fù)合材料的概述

該類建材加工制備階段需歷經(jīng)攪拌、凝結(jié)及固化等諸多流程，構(gòu)成以硅酸鹽水泥、砂石、水及外加劑等為主。對(duì)材料構(gòu)成加以分析后，我們可以將其視為一種非均質(zhì)性材料。而從結(jié)構(gòu)方面分析，該類材料主要由微觀、界觀及宏觀結(jié)構(gòu)三大部分組成。

對(duì)于該種建材而言，水化產(chǎn)物影響著水泥硬化漿體的結(jié)構(gòu)。因水化產(chǎn)物形態(tài)體貌存在一定差異，并且形成與聚集過(guò)程同步進(jìn)行，故而材料的微觀結(jié)構(gòu)欠缺規(guī)整性，存留著裂縫、孔洞等質(zhì)量缺陷。以上缺陷若長(zhǎng)期滯留，則將會(huì)降低抗拉強(qiáng)度、韌性，降低結(jié)構(gòu)整體的安穩(wěn)性。

2 試驗(yàn)研究

2.1 制備GO

把60mL 濃硫酸、石墨6g、2gNaNO3依次加入冰浴狀態(tài)下的500mL 三口燒瓶?jī)?nèi)，充分?jǐn)嚢韬螅峙尉従徏尤?4gKMnO4，靜置在5℃條件下持續(xù)反應(yīng)1h，升溫到35℃再反應(yīng)6h 后，把180mL 去離子水兌入其中，升溫到60℃，兌入500mL 去離子水、30mL 雙氧水，當(dāng)觀察到燒瓶?jī)?nèi)溶液呈黃色時(shí)，降溫到25℃，歷經(jīng)離心、沉淀、洗滌處置，直至洗液pH 恰好為7，超聲分散器連續(xù)處理洗液60min 后，就能獲得GO 分散液。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

取用水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂、水、固體摻量，并依照一定比例（1：2.63：5.33）制取水泥砂漿，設(shè)定水膠比為0.45，GO 的摻入量是膠凝材料的0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%。1 號(hào)樣是空白組，其他5 組GO 的摻量分別編號(hào)2～6 號(hào)，充分?jǐn)嚢韬螅瑢⑵浒仓迷谀ゾ撸?0mm×40mm×160mm）內(nèi)，持續(xù)養(yǎng)護(hù)4 周。利用跳桌法檢測(cè)水泥基符合材料的流動(dòng)性，分別測(cè)量其7d 與28d 時(shí)抗壓與抗折強(qiáng)度，并測(cè)算出折壓比，采用快凍法對(duì)試件做凍融循環(huán)試驗(yàn)，明確凍融前后質(zhì)量遺失與相對(duì)動(dòng)彈模量，測(cè)算出殘余的抗折、抗壓強(qiáng)度值，同時(shí)認(rèn)真觀察凍融循環(huán)以后試件的宏觀形態(tài)與表面脫離狀況。采用SEM 與XRD 觀察水泥石的斷面形態(tài)、檢測(cè)其對(duì)應(yīng)的衍射圖譜，在此基礎(chǔ)上更深刻的探究GO 改性材料的作用機(jī)制。

2.3 力學(xué)性能分析

在圖1 內(nèi)，和1 號(hào)空白樣本組相比較，2～6 號(hào)樣本強(qiáng)力依次提升了9.12%、13.24%、42.99%、36.31%、29.09%。試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GO 摻和的濃度為0.03%時(shí)，水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度指標(biāo)最優(yōu)良，即有益于提升結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，和樣本組相比較，強(qiáng)度有42.99%的提升幅度。提示將適量GO 摻和到水泥基復(fù)合材料內(nèi)，有益于提升材料的抗壓強(qiáng)度[2]。

圖1 GO 在水泥混凝土內(nèi)的配比量以及強(qiáng)度變化

3 GO 改性水泥基復(fù)合材料的路用性能

水泥、混凝土及砂石是國(guó)內(nèi)路橋工程建設(shè)階段的常用原料，利用以上材料建造出的路面有裂斷風(fēng)險(xiǎn)高、強(qiáng)度偏低等不足[3]。而結(jié)合本文的試驗(yàn)分析結(jié)果，我們認(rèn)為若能將適量GO 摻和至水泥混凝土等物料內(nèi)，則能較明顯的提高強(qiáng)度指標(biāo)，用于路橋工程建設(shè)領(lǐng)域中，能降低路面塌陷、斷裂等質(zhì)量問(wèn)題。筆者如下針對(duì)改性水泥基復(fù)合材料的路用性能加以探究：

3.1 流變性

既往有諸多研究指出，GO 摻入后會(huì)降低水泥基材料的流變性，具體表現(xiàn)在漿提屈服剪應(yīng)力上升、黏結(jié)度增加及凝結(jié)時(shí)間略有減短等方面上，進(jìn)而直接影響了水泥復(fù)合材料的路用性能。WangQ[4]等在研究張指出，伴隨GO 摻入量增加的過(guò)程，水泥漿流動(dòng)性整體有下降趨勢(shì)，而黏度卻快速上升，凝結(jié)時(shí)間有短縮，當(dāng)GO 摻入量為0.03%時(shí)，和基準(zhǔn)試樣做比較，水泥漿流動(dòng)度下降70%，黏度上升1850%，初凝、終凝時(shí)間的減少率依次為23.5%、9%。

3.2 微結(jié)構(gòu)

水化產(chǎn)物形貌、孔隙率及孔隙特點(diǎn)均是水泥復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的主要類型，其影響著材料的多種宏觀性能，合理調(diào)控微結(jié)構(gòu)是當(dāng)下水泥材料制造階段需重點(diǎn)探究的問(wèn)題。有學(xué)者指出，摻拌GO 會(huì)較明顯的提升凝膠孔給樹木，以提升無(wú)害孔體積分?jǐn)?shù)為主，且使大孔（400～1000nm）數(shù)目顯著跌落。一項(xiàng)試驗(yàn)中表明[5]，當(dāng)依照水泥總重量0.02%測(cè)算GO 納米片的摻入量時(shí)，孔徑分布效果最優(yōu)良。針對(duì)GO 能強(qiáng)化水泥水化產(chǎn)物微結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，既往國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)GO 對(duì)水泥內(nèi)水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)能起到較強(qiáng)大的調(diào)控作用，伴隨GO 摻和量增多及水化時(shí)間延長(zhǎng)過(guò)程，水泥石微觀結(jié)構(gòu)朝向有序、規(guī)整的方向發(fā)展，外形以花樣狀、片層狀為主，促進(jìn)了微小型結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，斷面結(jié)構(gòu)也更具緊湊性。孔徑密集分布、作用機(jī)制可能是GO 納米片強(qiáng)度較高、韌性偏大，且表層吸附者大量活性基團(tuán)，進(jìn)而對(duì)水化晶體生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程形成一定促進(jìn)作用，且調(diào)控者水化產(chǎn)物外觀形態(tài)。

3.3 物理力學(xué)性能

針對(duì)GO 對(duì)水泥材料的物理力學(xué)性能的提升作用，當(dāng)下很多試驗(yàn)研究結(jié)果達(dá)成了統(tǒng)一。當(dāng)在強(qiáng)度增長(zhǎng)率指標(biāo)上存在較明顯差異，這可能是因選用的GO 材料類型存在差異有關(guān)。有資料記載，摻和GO 的水泥材料抗壓強(qiáng)度提升率達(dá)到了15%～33%，抗折強(qiáng)度提升41%～59%，且不會(huì)衍生出材料強(qiáng)度各向異性的問(wèn)題；繪制的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線也提示，GO 在強(qiáng)化水泥材料斷裂韌性方面也表現(xiàn)出較好效能。

3.4 耐久性

水泥材料的耐久性被定義為在可預(yù)測(cè)的工作條件及材料自體因素作用下，材料于預(yù)估的使用壽命中抗不良因素的過(guò)程，無(wú)需耗用大量檢修費(fèi)用，也能維持較高的安穩(wěn)性，適用度與美觀性也較為優(yōu)良。凍融、鋼筋生銹及化學(xué)腐蝕等均是損傷耐久性的常見(jiàn)因素。過(guò)往有研究人員針對(duì)GO 強(qiáng)化水泥材料抗?jié)B漏、凍裂及碳化性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，和基準(zhǔn)試件作比較，摻和GO后水泥材料滲透性降幅達(dá)到了72%歷經(jīng)100 次凍融循環(huán)處理后彈性模量提升77.8%，碳化深度降低65.7%。材料耐久性明顯提升的原因主要是GO 對(duì)水泥水化產(chǎn)物能形成明顯的調(diào)控作用，大幅降低裂縫及有害孔數(shù)目。

4 結(jié)束語(yǔ)

盡管水泥基復(fù)合材料是國(guó)內(nèi)大部分路橋工程建設(shè)階段的常用建材，但因該類材料在抗拉力強(qiáng)度、韌性方面不占據(jù)優(yōu)勢(shì)，故而難以保證路面整體建設(shè)質(zhì)量，投運(yùn)階段很可能滋生出多種病害。而若能將按照一定比例配制的GO 加入水泥內(nèi)，制取改性材料用于路面建設(shè)領(lǐng)域中，則有益于改善路面性能，提升質(zhì)量安全性，延長(zhǎng)使用壽命，這提示GO 在建筑工程領(lǐng)域中具有較高的推廣價(jià)值，為人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步創(chuàng)造更大價(jià)值。