基于氧化石墨烯材料的結(jié)構(gòu)力學性能研究

周集權(quán)，馬軍營

（1華北水利水電大學地球科學與工程學院 河南 鄭州 450000）

（2華北水利水電大學土木與交通學院 河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著我國道路工程技術的快速發(fā)展，全國公路交通總里程也一直呈增長態(tài)勢，截至2021年底，我國公路總里程已超出520萬公里。在公路建設的材料中，水泥砼仍具有較大的優(yōu)勢，如安全性高、成本低等方面[1]。由于本身的材料特性不易改變，因此在其中摻入一定量的填料，使其具有更加優(yōu)良的性能，從而實現(xiàn)路面材料性能全面提升。

近年來，氧化石墨烯在我國得到了充分的發(fā)展，在許多領域發(fā)揮著重要作用，如醫(yī)療、教育、軍事等。氧化石墨烯的制備通常采用石墨粉和強氧化劑在酸性環(huán)境下化學合成，由于氧化石墨烯比石墨烯具有更好的操作性，使其應用范圍更加廣泛。在路面工程中，氧化石墨烯的研究也引起了各國學者的廣泛關注。向路面復合材料中加入氧化石墨烯，將會給工程建設帶來顯著的應用前景，資源匱乏的問題能夠得到緩解，環(huán)境污染問題也會減少，其發(fā)展前景十分廣闊[2]。近年來，對路面材料采用氧化石墨烯材料的研究已成為最為普遍的技術。通過研究氧化石墨烯摻量對其路面的晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌和抗凍性能的影響，表明適量的氧化石墨烯加速改性路面材料結(jié)構(gòu)的水化反應，細化了孔結(jié)構(gòu)，提高了密實度[3-6]。本文主要研究摻加不同劑量的氧化石墨烯在不同養(yǎng)護齡期時的路面抗壓強度。

1 原材料檢測與試驗準備

1.1 水泥

水泥的品種和用量對路面復合材料的強度起著重要作用，其性能需滿足現(xiàn)行的國家標準[7]的要求。本文采用的為普通硅酸鹽水泥，標號為P.O 42.5，可用于公路面層設計。水泥物理性能指標測定結(jié)果如表1所示，本文選取的水泥各項性能指標均達到了規(guī)范的技術要求。

表1 水泥性能測試結(jié)果

1.2 集料

在路面性能研究中，粗、細集料在其中起到重要作用。不同的公路等級在不同氣候和不同車輛荷載等條件影響下，對集料的強度、抗變形等力學性質(zhì)有很重要的作用。為方便試驗研究使用將混合料所用集料用水洗去除表面雜質(zhì)后烘干備用。

（1）粗集料

粗集料表面粗糙程度的大小會影響其與水泥砂漿之間的黏結(jié)力，當粗集料的表面較為粗糙時，它與膠凝材料之間的作用較好，水泥砂漿與粗集料的膠結(jié)力較大。所以粗集料要選擇強度高、干凈的材料，試驗參照規(guī)程[8]進行。本實驗選用的粗集料是5～10 mm和10～15 mm兩檔，其技術指標規(guī)定如下表2所示。試驗結(jié)果均符合規(guī)范的要求。

表2 粗集料性能測試結(jié)果

（2）細集料

細集料要堅硬、潔凈并耐久，應含有較少的有害雜質(zhì)。細集料試驗根據(jù)規(guī)程進行試驗，相應技術指標如表3所示，試驗結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表3 細集料性能測試結(jié)果

1.3 氧化石墨烯

氧化石墨烯（GO）是石墨烯的氧化物，含氧基團的引入使其更加活潑和更易功能化應用，且其較大的比表面積能夠有效附著材料，防止團聚。本試驗采用的工業(yè)級氧化石墨烯由蘇州碳豐石墨烯科技生產(chǎn)，基本性能指標如表4所示，掃描電鏡形貌圖如圖1所示。

圖1 兩種倍數(shù)GO電鏡圖

表4 氧化石墨烯主要性能指標

從圖1中可以看出：氧化石墨烯的表面特征較為粗糙，而且在其表面有部分褶皺，具有很大的比表面積，在5 000倍下可看出其為片層結(jié)構(gòu)，其中片層直徑在10 nm左右，厚度約1 nm左右，具備納米材料形貌特征，屬于標準的納米材料。

1.4 試件的制備

對道路結(jié)構(gòu)來說，抗壓強度是一項重要的性能指標。摻入氧化石墨烯會對其抗壓強度帶來一定的影響。抗壓強度試件多采用圓柱體、棱柱體、立方體，本次試驗采用150 mm×150 mm×150 mm立方體抗壓試件，如圖2所示。試驗方法采用振動碾壓成型，進行試驗前首先檢查試驗機與抗壓夾具是否可以正常使用，然后將試塊放入夾具中并且保證試塊光滑面朝上，最后設定參數(shù)并啟動試驗機，待試件破壞后記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)配合比，配制不同摻量（0.02%、0.04%、0.06%、0.08%）的氧化石墨烯試件拌和物，對摻入氧化石墨烯的試件進行系統(tǒng)的力學性能分析。

圖2 立方體試件制備過程

2 抗壓強度試驗

2.1 試驗過程

試件養(yǎng)護至規(guī)定齡期后，從標準養(yǎng)護室中取出試件并檢查試件損毀程度，剔除破壞程度較大的試件。采用華龍WAW-600微機電液伺服試驗機進行，按照規(guī)范[9]中的試驗方法對碾壓試件進行抗壓強度試驗，并計算其抗壓強度值，試驗過程如圖3所示。

圖3 抗壓強度試驗

2.2 試驗結(jié)果分析

（1）氧化石墨烯摻量對試件抗壓強度的影響

將抗壓強度試件測試結(jié)果進行整理，不同氧化石墨烯摻量下的試件在7 d、28 d的抗壓強度結(jié)果如圖4所示。

圖4 氧化石墨烯摻量與抗壓強度關系曲線

通過圖4分析可知，隨著氧化石墨烯所占比例的增加，試件的7 d、28 d無側(cè)限抗壓強度都有較大幅度的上升，氧化石墨烯摻量和抗壓強度呈非線性變化，未摻氧化石墨烯的材料7～28 d無側(cè)限抗壓強度最低，分別為36.9 MPa和43.7 MPa。隨著氧化石墨烯在試件中所占比例的增加，兩種無側(cè)限抗壓強度均出現(xiàn)先上升后降低的趨勢，且均在0.06%的摻量下無側(cè)限抗壓強度最高，分別為46.8 MPa和52.5 MPa，較未摻加氧化石墨烯的分別提高了20.1～26.8%，當氧化石墨烯摻量增加到0.08%時，無側(cè)限抗壓強度出現(xiàn)一定程度的降低，分別較0.06%摻量的試件下降了0.05%和0.04%。

（2）養(yǎng)護齡期對抗壓強度的影響

將抗壓強度試件測試結(jié)果進行整理，抗壓強度隨不同養(yǎng)護齡期（7 d、28 d、90 d）的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 養(yǎng)護齡期與抗壓強度關系曲線

由圖5分析可知，隨著養(yǎng)護齡期的增長，7～28 d早期增長速率較快，28～90 d的強度增長速率逐漸降低。它們的強度和養(yǎng)生齡期都是呈正相關，而且都呈現(xiàn)先快后慢的態(tài)勢。當氧化石墨烯摻量為0.02%、0.04%、0.06%、0.08%時，7 d抗壓強度分別為36.9 MPa、41.3 MPa、44.1 MPa、46.8 MPa和44.5 MPa，分別達到28 d抗壓強度的83.5%、89.4%、88.9%、89.1%和88.5%。28 d抗壓強度分別為43.7 MPa、46.2 MPa、49.6 MPa、52.5 MPa和50.3 MPa，分別達到90 d抗壓強度的95.8%、96.0%、98.2%、98.1%和98.0%。也進一步驗證了隨著氧化石墨烯的加入，影響了試件抗壓強度的增長，但需要控制氧化石墨烯的摻量[10]。

3 結(jié)論

通過制備不同摻量的氧化石墨烯改性試件，研究氧化石墨烯摻雜量和不同養(yǎng)護齡期對路面復合材料的力學性能影響，得出以下結(jié)論：

（1）隨著氧化石墨烯摻量的增多，改性路面的無側(cè)限抗壓強度均先升高后降低，表明加入氧化石墨烯可以提高路面的抗壓強度，且摻量為0.06%時，抗壓強度達到最大值，此時試樣的力學性能最佳，摻量再持續(xù)增加，抗壓強度將出現(xiàn)一定程度的下降。

（2）隨著養(yǎng)護齡期的增長，不同氧化石墨烯摻量的試件抗壓強度和養(yǎng)生齡期都是呈正相關，而且都呈現(xiàn)先快后慢的態(tài)勢。7～28 d早期增長速率較快，28～90 d的強度增長速率逐漸降低。摻量為0.06%時的28 d抗壓強度較7 d抗壓強度增長了12.2%，90 d抗壓強度較28 d抗壓強度增長了1.9%，增長率出現(xiàn)大幅度下降，表明當養(yǎng)護齡期為28 d時，此時的試樣的力學性能最佳。