氧化石墨烯單摻和與粉煤灰復摻對泡沫混凝土宏觀性能和微觀孔結構的影響

唐慧京 李 靜

（華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641）

0 引言

泡沫混凝土作為裝配式外掛墻體的較優材料，具有質輕、保溫隔熱等非常優異的性能，然而當泡沫混凝土應用于外掛墻板時，仍然存在著承載能力不足、強度低等問題[1-2]。

氧化石墨烯（graphene oxide，即GO）作為性能優良的納米材料，是近年來學者們研究的熱門對象。弓中偉等人[3]發現GO可以提高泡沫混凝土抗壓強度，降低吸水率，減少微裂紋的數量，但是對于GO對泡沫混凝土宏觀性能的影響研究不夠深入，粉煤灰作為混凝土常用的無機摻合料，是改善混凝土成型和力學以及相關物理性能的重要途徑[4]，但較少人研究粉煤灰復摻GO對泡沫混凝土宏觀性能和微觀孔結構的影響。本文通過研究GO單摻和與粉煤灰復摻對泡沫混凝土宏觀性能和微觀孔結構的影響，為解決泡沫混凝土應用于外墻板出現的問題和發展更優良的外掛墻板提供理論基礎和實驗依據。

1 實驗原材料與配比設計

1.1 原材料

本次實驗使用石井牌P·O42.5R水泥，燒失量為1.06%，密度為3100kg/m3，比表面積為376m2/kg。GO采用江蘇蘇州某石墨烯廠生產的工業級GO分散液。粉煤灰采用河南鄭州某廠提供的Ι級粉煤灰，密度為2420kg/m3,燒失量2.52%。減水劑為陜西某廠提供的聚羧酸系高性能減水劑，減水倍數37%。保水劑采用廣州市某廠提供的羥基甲基纖維素（HMPC）。促凝劑使用廣州市某廠提供的無水氯化鈣（CaCl2）。本次試驗發泡劑采用物理發泡工藝，選用山東煙臺某廠提供的動物蛋白發泡劑。

1.2 配比設計

本試驗GO摻量（占膠凝材料的比例）為0、0.02%、0.04%、0.06%。通過試驗確定GO的最優摻量后復摻粉煤灰，其中粉煤灰取代水泥的比例是0、10%、20%、30%。將澆筑好的試塊在常溫下放置24h后拆模并編號，拆完模后放入標準養護室中養護28d后進行試驗。對做完抗壓強度的試塊進行高倍顯微鏡拍攝，每個配比取15個截面取樣圖并利用Image-pro plus算出孔結構參數。

2 實驗結果分析

2.1 GO對泡沫混凝土宏觀性能和微觀孔結構的影響

2.1.1 宏觀性能

不同GO摻量的泡沫混凝土宏觀性能見表1。

表1 不同GO摻量的泡沫混凝土宏觀性能

由表1可知，泡沫混凝土的干密度隨著GO摻量的增加先增加后降低，GO摻量為0.02%時，泡沫混凝土干密度達到最大值，適當摻量的GO使得水化產物增加，提高干密度，但是摻量過多時，干密度又下降。隨著GO摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓、抗折強度均先增加后降低，但均大于空白組，并且都是在摻量為0.02%時，抗壓、抗折強度達到最大值，較空白組分別提高了17.08%和28.36%。GO對泡沫混凝土抗壓強度和抗折強度的影響規律與GO對泡沫混凝土干密度的影響規律是比較一致的，這是由于適量的GO摻入促進了泡沫混凝土水化產物的產生，可以更好地填充泡沫混凝土的孔隙，結構更加密實，使泡沫混凝土的微觀結構更加規則細密，從而提高了干密度、抗壓強度和抗折強度；但是當GO的摻量過多時，GO的比表面積大，吸收更多的水，反而影響了泡沫混凝土的水化，使泡沫混凝土干密度、抗壓強度和抗折強度降低。隨著GO摻量的增加，泡沫混凝土吸水率先降低后升高，但均比未摻GO的空白組更低，在GO為0.02%時，泡沫混凝土的吸水率最低。

因此，GO摻量為0.02%時，泡沫混凝土干密度、抗壓強度、抗折強度、吸水率是最優的。

2.1.2 微觀孔結構

泡沫混凝土平均孔徑和孔隙率如圖1所示。由圖1可以看出GO對泡沫混凝土平均孔徑和孔隙率的影響規律是一致的，都是隨著GO摻量增加，平均孔徑和孔隙率先降低后增高，在0.02%摻量時，達到最低值，分別較空白組降低了14.5%和14.6%。呂生華等人[5]研究發現GO納米片層對水化產物起到模板效應，促使泡沫混凝土的結構更加致密，因此平均孔徑和孔隙率降低，跟本研究結論一致。泡沫混凝土孔徑分布見圖2所示。由圖2可知，GO摻量從0增加到0.02%時，小孔的比例增加，大孔的比例降低，但是隨著GO摻量從0.02%再增加時，變化趨勢呈現了相反的狀況，說明當GO摻量提高到一定的程度時，對泡沫混凝土的微觀結構開始產生負影響，說明適當的GO摻量可以減少大孔，增加小孔，大大改善泡沫混凝土的孔結構。

圖1 不同GO摻量的平均孔徑和孔隙率

圖2 不同GO摻量的孔徑分布

綜上所述，GO摻量為0.02%時，泡沫混凝土的微觀孔結構是最優的。

2.2 粉煤灰復摻GO對泡沫混凝土宏觀性能和微觀孔結構的影響

2.2.1 宏觀性能

不同粉煤灰摻量的GO泡沫混凝土宏觀性能見表2所示。

表2 不同粉煤灰摻量的GO泡沫混凝土宏觀性能

從表2可以看出，粉煤灰復摻GO對泡沫混凝土干密度、抗壓強度和抗折強度的影響規律是一致的，均是隨著粉煤灰摻量的增加先增加后降低。在摻量為10%時，干密度最大，抗折強度最大，在摻量為20%時，抗壓強度最大。其中抗壓強度較空白組最高增加了13.52%，抗折強度較空白組最高增加了18.6%。在GO的效應基礎上，粉煤灰使得GO泡沫混凝土結構更加密實，干密度、抗壓強度和抗折強度進一步提高，但是過多的粉煤灰摻量反而影響水泥的水化，影響泡沫混凝土強度。GO泡沫混凝土的吸水率隨著粉煤灰摻量增加先降低后升高，均低于參照組，在粉煤灰摻量為20%時，GO泡沫混凝土的吸水率達到最低值。因此，粉煤灰摻量在10%～20%時，進一步改善了泡沫混凝土的宏觀性能。

2.2.2 微觀孔結構

不同粉煤灰摻量的平均孔徑和孔隙率見圖3所示。圖4是不同粉煤灰摻量對GO泡沫混凝土孔徑分布的影響。

圖3 不同粉煤灰摻量的平均孔徑和孔隙率

圖4 不同粉煤灰摻量的孔徑分布

由圖3可知，隨著粉煤灰的摻入，在粉煤灰摻量為10%時，GO泡沫混凝土的平均孔徑和孔隙率達到最低值。謝明輝等人[6]發現粉煤灰起到填充孔結構的作用，因此適當的粉煤灰摻量降低了平均孔徑和孔隙率。由圖4可知，粉煤灰摻量在10%和20%時，小孔的比例增加，大孔的比例降低，但粉煤灰摻量為30%時，小孔比例下降，大孔比例反而增加。嵇鷹等[7]研究發現粉煤灰的“調控效應”進一步改善GO泡沫混凝土的孔結構，但是粉煤灰的摻量過多時，反而對孔結構不利。

3 結束語

綜上所述，本課題結論如下：

（1）隨著GO摻量的增加，泡沫混凝土的干密度和抗壓抗折強度都是先增加后降低。在GO摻量為0.02%時，泡沫混凝土的抗壓強度和抗折強度達到最大值，比未摻GO的泡沫混凝土分別提高了17.08%和28.36%，且吸水率最低。

（2）GO使泡沫混凝土的微觀孔結構更加細密、形狀更加規則。尤其當GO摻量為0.02%時，泡沫混凝土的平均孔徑和孔隙率達到最低值，較未摻GO的空白組降低了14.45%和14.46%。

（3）隨著粉煤灰摻量增加，GO泡沫混凝土干密度、抗壓強度和抗折強度先升高后降低。粉煤灰的摻入可以降低GO泡沫混凝土的吸水率，在粉煤灰摻量為20%時，吸水率最低。

（4）粉煤灰在水泥中通過形態效應和填充作用，使得GO泡沫混凝土孔結構更加致密，平均孔徑和孔隙率降低。在粉煤灰摻量10%～20%時，粉煤灰進一步改善了GO泡沫混凝土的孔結構。