氧化石墨烯对水泥胶砂流动度及力学性能的影响

詹根瑞，吴玉友 *，鲁 权

（佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东 佛山528000）

混凝土是全世界使用最广泛的建筑材料之一，由于抗压强度大、原材料易获取、价格低廉等优点而被广泛的运用于房屋、桥梁、隧道、港口码头等建筑物。而混凝土的缺点也同样不可忽视：抗拉强度低、韧性差、易产生裂缝等。这些缺点使得混凝土结构的服役寿命严重缩短，维护成本提高［1］。因此，人们正在努力尝试用纤维材料来对混凝土进行增强增韧，目前，用于对混凝土进行增强增韧的主要纤维材料有：钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等。这些材料虽然可以在微观以及宏观的层面控制其性能，达到增强增韧的目的，但是，这些纤维并不能控制水泥的水化反应，改变水化产物，而水泥的水化产物约70%为纳米级的硅酸钙凝胶（C-S-H），因此它并不能在纳米尺度上控制裂纹［2-4］。

随着纳米技术的发展，许多纳米材料已被利用来优化水泥基复合材料的性能。张琰等［5］研究了单掺纳米二氧化硅（NS）与复掺纳米二氧化硅与碳纳米管（NS/CNTs）对水泥基复合材料性能的影响，结果表明：随着NS 掺量的增大，砂浆的流动度逐渐减小；NS/CNTs 的掺量的最优值为2%/0.1%，28 d 抗压强度达到67.5 MPa，与对照组相比强度提升29.1%。范颖芳等［6］将纳米高岭土颗粒掺入水泥基材料以改善其性能，结果表明：当纳米高岭土掺量为1%时，水泥净浆的抗折强度提高了39.04%，当纳米高岭土掺量为5%时，水泥砂浆的氯离子扩散系数降低53.03%；他认为纳米高岭土颗粒能够促进水泥的水化反应，加上自身的填充效应能够使水泥基材料的结构更加密实，从而改善其机械性能和耐久性。

近来，GO 也应用于增强增韧水泥基复合材料。吕生华等［7］研究了GO 对水泥净浆流动性和机械性能影响的规律，结果表明：当GO 掺量为0.01%，0.03%，0.05%，0.07%，0.09%时，保持水泥浆体流动度在200 mm 以上所需的减水剂PCs 分别为0.24%，0.28%，0.32%，0.36%和0.4%；掺入GO 能够调控水泥的水化反应，促使水泥水化产物形成规整的晶体，从而使水泥基材料的结构更加密实；掺入GO 能够显著提高水泥基材料的抗折强度和抗压强度。吕生华等［8］还利用聚合反应制备了复合物（PCs/GO），并将其应用于水泥基材料中。研究结果表明：PCs/GO 能够调控水泥基体成为由多面体状产物构成的规整的微观结构，具有显著的增强增韧效果，同时也发现PCs/GO 能够在水泥基体的裂缝和孔洞处产生花状和多面体状晶体，具有修复裂缝、孔洞的功效。袁小亚等［9］研究了单掺PC、单掺GO 以及复掺PC/GO 对水泥基材料力学性能的影响，结果表明：复掺PC/GO 的水泥砂浆3 d 和28 d 抗折抗压强度比单掺GO 或者单掺PC 的试件强度提高了20%以上，并且早期强度提升比后期强度提升更加明显。HUI PENG 等［10］研究了GO 对水泥胶砂的力学性能以及微观形貌影响，得出结论：在一定的水灰比下，GO-水泥砂浆的抗折强度和抗压强度随着GO 掺量的增加先增大后下降。GO 掺量为0.03%时，抗折强度达到最大值。GO掺量为0.01%时，抗压强度达到最大值。并且抗折强度的提升率大于抗压强度；GO 具有巨大的表面能，能够成为水化反应的成核中心，促进水化产物的生成，使水泥基材料具有更加均匀和致密的结构，从而提高他们的强度和韧性。

基于GO 优异的性能及其与水泥基材料复合的优势，本文制备了GO-水泥胶砂试件，研究GO 对水泥胶砂流动度以及基本力学性能的影响，并在一定流动度范围内讨论不同GO 掺量对水泥胶砂力学性能的影响，为实际工程奠定基础。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥采用天鹅牌PO.42.5 水泥；砂采用厦门艾思欧标准砂；减水剂（PC）采用瑞士西卡聚羧酸超塑化减水剂540P（粉剂），掺量0.1%～0.2%时，减水率可达30%以上；氧化石墨烯采用电解水法制备（由深圳烯材科技有限公司提供），固体含量为10 mg/ml，碳氧比1.7，主要片径分布范围为0.5～3 μm，平均厚度为1.1～1.2 nm，单层率91%；为防止自来水中的阳离子影响GO 的分散性，本文采用蒸馏水作为拌合用水。

1.2 配合比

表1 中，试件OPC 的GO 掺量为0，试件GPC-1～5 的GO 掺量为0.01%～0.05%，PC 掺量（占水泥质量）分别为0.15%、0.16%、0.17%、0.18%、0.19%、0.20%；水胶比为0.4；表中水的质量包含了GO 分散液中水的质量。

表1 氧化石墨烯水泥胶砂配合比

1.3 水泥胶砂的制备

称取水泥450 g，标准砂1 350 g，水180 g 和一定量的PC 和GO，首先将GO 分散液在蒸馏水中稀释并机械搅拌（1 000 r/min）90 s 得GO 溶液，然后在GO 溶液中加入PC 搅拌90 s 得GO/PC 混合溶液，最后根据《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T17671-1999）中的搅拌步骤进行搅拌。搅拌完毕后装入40×40×160mm 的试模中在水泥胶砂振实台上分两层振捣成型（每层振捣60 s），成型后立即盖上聚乙烯膜防止表面水分蒸发，在温度20±1℃，相对湿度大于50%的条件下静置24 h 拆模，然后立即移入标准条件下（温度20±1℃，湿度大于95%）的养护室内养护至3 d、28 d 后取出进行破型试验。

1.4 试验方法

流动度测试按照《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T2419-2005）进行；力学性能测试按照《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T17671-1999）进行，其中抗折强度试验的加荷速度为50 N/s，抗压强度试验的加荷速度为2.4 KN/s。

2 结果与分析

2.1 GO 对水泥胶砂流动度的影响

GO 对水泥胶砂流动度的影响见图1，由图1a 可知，当PC 掺量为0.15%，GO 掺量0～0.05%对应的水泥胶砂流动度为200、194、177、165、155、147 mm，随GO 掺量的增加而减小，下降幅度分别为3%、11.5%、17.5%、22.5%、26.5%，这表明GO 对水泥胶砂的流动度有不利影响，这可能是由GO 掺量越高，超大的总比表面积吸水更多导致。图1b 可知，随着GO 掺量由0.01%至0.05%的依次递增，保持水泥胶砂流动度在200 mm 以上所需的减水剂掺量分别为0.16%、0.17%、0.18%、0.19%、0.20%，每个GO 掺量下减水剂掺量差值为0.01%。由此说明，GO 对水泥胶砂流动度的影响可以通过增大减水剂的掺量来解决。但是在GO 掺量较大时（如掺量0.04%和0.05%），相同增量减水剂对流动度的提升作用不明显，这可能是由GO 掺量较大时团聚吸水无法避免的原因导致。

图1 GO 掺量对水泥胶砂流动度的影响

2.2 GO 对水泥胶砂力学性能的影响

由图2 可知，掺GO 的水泥胶砂的抗折与抗压强度均呈现先上升后下降的趋势。当GO 掺量为0.02%时，抗折和抗压强度均达到最大值，其3 d 与28 d 的抗折强度分别为7.3 MPa 和9.8 MPa，不掺GO 的水泥胶砂3 d 和28 d 的抗折强度为6.3 和9.0 MPa，同比增长了15.9%和8.9%；GO 掺量为0.02%的水泥胶砂3 d 与28 d 抗压强度分别为38.1 MPa 和56.9 MPa，不掺GO 的水泥胶砂3 d 与28 d 的抗压强度分别为33.5 MPa 和52.0 MPa，同比增长13.7%和9.4%。这表明当掺量在一定范围内，GO 能充分发挥其纳米填充作用及桥接作用，显著提高水泥胶砂力学性能［11］。当GO 掺量超过0.02%时，水泥胶砂的抗折与抗压强度均呈现下降趋势，其原因可能有：1）GO 具有超大的比表面积，需要更多的自由水来湿润其表面，阻碍了水泥水化反应的进行以及水化产物的生成，从而影响强度的发展；2）GO 掺量过高，导致团聚吸水，造成局部水灰比过小，水化产物不均匀，从而导致强度降低［11］。

图2 GO 对水泥胶砂力学性能的影响

GO/PC 掺量为0.01%/0.16%、0.02%/0.17%、0.03%/0.18%、0.04%/0.19%、0.05%/0.20%的水泥胶砂3 d 抗折强度分别提高了11.1%、15.9%、12.7% 、11.1%、4.8%，28 d 抗折强度分别提高了3.3%、8.9%、5.6%、3.3%、1.1%；3 d 抗压强度分别提高了7.2%、13.7%、7.8%、4.8%、3.3%，28 d 抗压强度分别提高了7.9%、9.4%、5.2%、2.7%、2.7%。从以上数据可得出，同一GO 掺量下3 d 抗折与抗压强度的提升率基本大于28 d 抗折与抗压强度的提升率；同一龄期下，抗折强度的提升率也普遍大于抗压强度的提升率。由此可知：GO 对水泥胶砂早期力学性能的提升较大，对水泥胶砂抗折强度的提升大于抗压强度。

3 结论

本文通过制备氧化石墨烯水泥胶砂试件，研究氧化石墨烯对水泥胶砂流动度和力学性能的影响，最终得出以下结论：

（1）GO 对水泥胶砂流动度会产生不利影响。当PC 掺量一定时，随着GO 掺量的增加，水泥胶砂的流动度逐渐减小。

（2）随着GO 掺量由0.01%至0.05%的依次递增，保持水泥胶砂流动度在210±10 mm 以内所需的PC 掺量分别为0.16%、0.17%、0.18%、0.19%、0.20%。

（3）掺入GO 后，水泥胶砂的强度呈先上升后下降的趋势。在GO 掺量为0.02%时，抗折与抗压强度达到最大值，3 d 抗折与抗压强度比对照组分别提升了15.9%和13.7%；28 d 抗折与抗压强度比对照组分别提升了8.9%和9.4%。

（4）氧化石墨烯对水泥胶砂早期力学性能的提升较后期力学性能显著，并且GO 对水泥胶砂抗折强度的提升大于对抗压强度的提升。