氧化石墨烯改性水泥基材料研究綜述

摘 要：氧化石墨烯（Graphene Oxide，簡稱GO）是石墨烯的衍生物，因其上官能團增多而具備更為活潑的性質。水泥基材料作為目前使用范圍最廣的建筑材料，其性能的優化一直是研究者們關注的重點。而GO為一種特殊的納米材料，因其獨特的物理和化學性質，被廣泛應用于水泥基材料的改性研究中。這些研究主要集中在GO的制備、分散及其在水泥基材料中的應用效果等方面。這種新型復合材料不僅克服傳統水泥基材料的一些固有缺陷，在力學、耐久性等方面展現出顯著的優勢。

關鍵詞：氧化石墨烯；水泥基；力學特性；微觀機理；納米材料

中圖分類號：TU528 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0075-05

Abstract： Graphene Oxide （GO） is a derivative of graphene， which has more reactive properties due to the increased number of functional groups on it. As the most widely used building material at present， the optimization of its performance has always been the focus of researchers. GO is a special nanomaterial. Due to its unique physical and chemical properties， it is widely used in the modification of cement-based materials. These studies mainly focus on the preparation， dispersion and application effect of GO in cement-based materials. This new composite material not only overcomes some inherent defects of traditional cement-based materials， but also shows significant advantages in terms of mechanics and durability.

Keywords： graphene oxide; cement-based; mechanical properties; microscopic mechanism; nanomaterials

隨著科技的不斷發展和人類對建筑材料性能要求的提高，傳統水泥材料在某些方面已經無法滿足工程實際需求。因此，尋找一種能夠改善水泥基材料性能的新型材料成為了當前研究的熱點之一。氧化石墨烯（GO）作為一種新興的納米材料，具有許多獨特的物理和化學性質，如優異的力學性能、化學穩定性和導電性等[1]。這些優異的性能使得氧化石墨烯成為了改善水泥基材料性能的理想候選材料之一。

如今，人們對納米材料的基本認知也越發清晰，氧化石墨烯（GO）改性水泥基材料是近年來備受研究關注的一種新型復合材料，氧化石墨烯與水泥基材料進行復合改性，可以顯著提高水泥基材料的力學性能、耐久性和抗滲性[2]，從而滿足建筑工程對材料性能的更高要求。其已經廣泛應用于建筑結構的修復與加固、防水與防腐以及環境污染治理等領域。其中，利用其改性水泥基材料的研究已在土木水利工程領域取得較大進展，如注漿加固、防滲處理等。這些應用證明了氧化石墨烯改性水泥基材料在實際工程中的可行性和有效性。但氧化石墨烯改性水泥基材料的研究仍面臨著一些挑戰和問題。例如，如何進一步提高氧化石墨烯在水泥基材料中的分散性和穩定性，以及如何降低其生產成本等，這些問題的解決將有助于推動氧化石墨烯在水泥基材料改性領域的更廣泛應用。

本文將對氧化石墨烯改性水泥基材料的研究進行全面梳理和分析，旨在為科研工作者提供一個全面了解氧化石墨烯改性水泥基材料的研究現狀和發展趨勢的平臺，為今后的研究和應用提供參考和借鑒，推動該領域的進一步發展和壯大。

1 氧化石墨烯改性水泥基的力學特性

力學性能是水泥基材料的基本性能之一，而摻入氧化石墨烯對水泥基復合材料的力學性能有著顯著的影響。傳統的水泥基材料常常存在易開裂、韌性差、強度低等問題，而氧化石墨烯的加入可以顯著地改善這些缺陷。普遍的實驗觀點表明，適量的氧化石墨烯摻入能夠顯著提高水泥基材料的抗壓強度、抗折強度等關鍵力學指標。氧化石墨烯的引入可以有效地促進水泥顆粒之間的緊密結合，填充微孔和裂縫，從而增強了水泥基材料的整體強度和耐久性。此外，氧化石墨烯還能夠改善材料的韌性，提高其抗裂性能，延長使用壽命。

氧化石墨烯（GO）納米層表面富含許多親水性官能團，使得GO在水中具有良好的分散性能。由于其低成本和廣泛適用性，GO被認為是改性碳纖維水泥基復合材料的理想選擇[3]。添加氧化石墨烯后，其納米層上的含氧官能團能夠與水分子形成氫鍵，有助于促進氧化石墨烯在水中的均勻分散。這導致原本不規則的大體積水化產物逐漸細化，分布和排列更加均勻，從而使得硬化漿體的結構更加致密，進而增強了水泥基體的強度。

表1為不同研究者研究氧化石墨烯的不同摻量對水泥基材料抗壓和抗折性能影響。值得注意的是，氧化石墨烯的改性效果與其摻入量、分散性以及與水泥基材料的相互作用等因素密切相關，適量的摻入量和良好的分散性能夠充分發揮氧化石墨烯的改性效果，而過多的摻入量還可能會導致材料的性能下降。GO和碳纖維對水泥基材料的增強效果能夠相互補充[11]。因此，針對GO改性碳纖維，進行了改性水泥基材料的實驗。將經過兩種物質改性的水泥基材料與單獨GO摻量的水泥基材料的強度進行了對比。圖1顯示混合GO和碳纖維的水泥基復合材料的抗壓和抗拉強度均有所提高。

2 氧化石墨烯改性水泥基的耐久性

隨著工程建筑行業的進步和發展，如超高層建筑、跨海大橋和港口等建筑設施的涌現，對混凝土材料的性能和質量提出了更嚴格的要求。傳統的普通混凝土雖然具有一定的耐用性和設計靈活性，但其存在著脆性大、韌性不足、彎拉強度小等缺點。這些缺陷在現代大型工程中可能導致安全隱患和使用壽命的縮短，因此需要尋求更具優越性能的建筑材料來滿足挑戰性的工程需求。氧化石墨烯改性水泥基材料的出現為解決這一難題提供了新的思路。相比傳統混凝土，氧化石墨烯改性水泥基材料具有更高的強度、更優異的韌性以及更好的抗壓強度和抗拉強度。其強化效果可以顯著提高混凝土材料的力學性能，使其能夠承受更大的荷載和外部環境的影響，從而增強了工程結構的耐久性和安全性。在超高層建筑等大型工程中，材料的耐久性是至關重要的。由于氧化石墨烯改性水泥基材料具有優良的導熱性和導電性，可以有效地減少溫度差異和應力集中，降低了材料在極端環境下的受損風險。此外，其良好的耐磨性和耐腐蝕性也使其在海岸線建筑、港口工程等特殊環境中表現出色。

如今，已有大量學者對氧化石墨烯的耐久性進行了研究。王雪楓等[12]人通過電泳沉積法，制備了GO-CF雜化纖維，并研究了GO、CF以及GO-CF水泥基復合材料的抗凍性能。試驗表明，摻入GO可以有效改善了水泥砂漿試件的抗凍性能，其中0.07%的摻量表現最佳。在不同凍融循環下，試件的抗壓強度有所下降，但GO-CF水泥砂漿試件的強度損失率明顯低于CF水泥砂漿試件。因此，使用氧化石墨烯改善碳纖維表面性能可提升碳纖維水泥基復合材料的抗凍性。雷斌等[13]進行了關于氧化石墨烯摻量對再生混凝土抗凍性能的研究。他們發現隨著氧化石墨烯摻量的增加，再生混凝土的抗凍性呈現先下降后上升的趨勢。當氧化石墨烯摻量為0.06%時，再生混凝土的抗凍性能達到最佳狀態。

此外，氧化石墨烯的加入還可以降低混凝土的滲透率，并增強混凝土的耐久性。根據Hassani等[14]的研究，氧化石墨烯有助于促進水泥C-S-H水化產物的生長，并且與水泥基體結合良好，顯著降低了水泥基體的滲透性。Mohammed等[15]的研究表明，向水泥砂漿中添加少量的氧化石墨烯（0.01%）可以有效阻止氯離子的滲透，因為氧化石墨烯的特殊層狀結構能夠在水泥基體中形成類似“海綿結構”的三維形態，從而有效地捕獲氯離子。李相國等[16]采用復合摻入氧化石墨烯和聚乙烯醇（PVA）纖維的方法，提高了水泥基材料的抗滲性能，氯離子的擴散系數可達3.4×10-12 m2/s。楊雅玲等[17]將試樣放入復合鹽溶液中長期浸泡后的能譜圖與元素含量表如圖2所示，且將圖2（a）與圖2（b）進行對比，氧化石墨烯改性的水泥砂漿內部結構含有大量的C-S-H凝膠，能顯著提高水泥砂漿的耐腐蝕性能。

3 氧化石墨烯改性水泥基材料的微觀機理

根據微觀作用機理，氧化石墨烯對水泥基材料的改性主要表現在其能夠改變水泥基材料的微觀結構，從而改善水泥基材料的性能[18]。具體而言，氧化石墨烯的添加可以促進水泥顆粒之間的緊密結合，填充水泥基材料中的微孔和裂縫，從而提高其密實性和抗滲性。此外，氧化石墨烯還能夠增強水泥基材料的力學性能，如提高抗壓強度和抗拉強度，延長材料的使用壽命。

呂生華等[19]的研究發現，添加氧化石墨烯能夠有效促進水泥水化產物的生成，并調節水化產物呈現為規整的花狀結構。這種獨特形態對水泥的微觀結構起到致密化作用，有助于提升水泥基材料的功能特性。

程思嫄等[20]人通過XRD、紅外光譜、微觀形貌測試等手段，在水泥基注漿材料中摻入不同摻雜量（0.02%、0.04%、0.06%）的氧化石墨烯。測試結果表明，摻雜氧化石墨烯的試驗組力學性能高于未摻雜氧化石墨烯的對照組。且摻雜量超過0.06%時，改性材料的各階段抗壓強度開始逐漸下降，過高的GO摻量會導致水化產物尺寸不均勻，產生局部團聚，不利于應力傳遞。

董健苗等[21]運用分子動力學模擬技術構建了氧化石墨烯分子結構模型，進一步優化了GO/CH界面結構模型，模擬出了水化反應時GO的成核效應。測試結果表明，氧化石墨烯能有效減少水泥基材料內部的孔隙，提升水泥基材料的力學性能。

Lv等[22]通過吸附試驗和微觀形貌表征相結合的方法研究了GO與鈣質砂的相互作用。吸附材料的形貌和結構如圖3所示。圖中顯示鈣質砂呈針狀和板狀晶粒，其表面和內部有許多空腔，有利于其對GO的吸附。

4 結論

綜上所述，氧化石墨烯作為一種獨特的碳納米材料，在材料改性方面具有廣闊的應用前景。通過優化其摻入量和分散性等參數，進一步提升現實狀態下水泥基材料的抗壓強度、抗拉強度以及抗彎強度等關鍵力學性能指標。同時，改善水泥基材料的界面過渡區，減少氣孔和微裂紋的形成，從而提高其耐久性和使用壽命。未來，氧化石墨烯改性水泥基材料有望應用于更多領域，如高層建筑、橋梁、隧道等重要工程結構。GO水泥基材料將不僅僅作為一種結構性的材料，更有望被賦予功能屬性，如自動公路引導、交通管控等。同時，隨著綠色建筑和可持續發展的理念深入人心，這種環保且性能優異的新型材料將受到更多關注。目前的研究尚未實現GO的高效率分散。對于GO分散的方法需要更加精細的研究，以實現高效、大規模、高質量的GO分散。這將推動GO水泥基復合材料在實際生活中的應用和生產。總之，氧化石墨烯改性水泥基材料的研究和應用具有廣闊的前景和潛力。隨著科技的進步和研究的深入，這種新型材料將在未來發揮更加重要的作用，為建筑、道路等工程領域提供更為可靠和高效的解決方案。

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