片状石墨烯对水泥胶砂力学性能的影响_肖华.pdf

公路 年月第期 基金项目：青海省交通科技项目，项目编号 ；青海省重点研发与转化计划项目，项目编号 ，收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：片状石墨烯对水泥胶砂力学性能的影响肖华，李松，宗有杰，王昊宇，熊锐（青海省湟源公路工程建设有限公司西宁市 ；武汉理工大学交通学院武汉市 ；长安大学材料科学与工程学院西安市 ）摘要：为研究石墨烯对水泥胶砂力学性能的影响，采用聚氧代乙烯壬基苯基醚（）、十二烷基苯磺酸钠（）、聚乙烯吡咯烷酮（）对石墨烯进行分散，制备了不同石墨烯掺量、不同水灰比下的石墨烯改性水泥胶砂，并借助抗压抗折试验及扫描电子显微（）研究了石墨烯对水泥胶砂力学性能的增强效果及增强机理。结果表明：分散剂能有效改善石墨烯在水泥胶砂中的分散性；石墨烯的掺入显著增加了水泥胶砂、的抗折和抗压强度；种水灰比均在掺量为 取得最佳值，的抗折和抗压强度分别增加了 、；石墨烯掺量相同时，水泥胶砂的抗折和抗压强度均随水灰比的上升而下降。这是因为石墨烯片层以多样性形态填充在水泥基材料的孔隙中，从而细化水泥基基体的孔径尺寸，提升了水泥基体间的胶结强度，增强了水泥胶砂材料的力学性能。关键词：道路工程；石墨烯；水泥胶砂；分散性；力学性能因具有强度高、耐久性好、环境适应性强及价格低廉等优势，混凝土材料被广泛应用于基础设施建设领域，。但随着交通建设的发展，对混凝土材料的力学性能及耐久性提出了更高的要求，增强其性能势在必行。添加纤维、纳米颗粒等材料来提高混凝土材料力学性能是常用的方法之一，。作为一种新兴材料，相比于纤维、纳米颗粒，石墨烯具有比表面大、官能团丰富等优势，在增强混凝土材料性能方面潜力巨大。境内外学者在此方面进行了大量研究，孙延法等调查了石墨烯掺量及龄期对水泥砂浆力学性能的影响，发现石墨烯的掺入可显著增强水泥砂浆的抗压抗折强度。这是因为石墨烯可填充水泥材料的空隙，增加密实度。陈佳敏等 发现龄期对纳米石墨烯片在水泥基材料中的作用效果有显著影响，在之前，纳米石墨烯片的出现对水泥基材料的力学性能有不利影响，之后则表现为增强效果。李东波等 将石墨烯与粉煤灰复掺以 进 一 步 增 强 水 泥 基 材 料 的 力 学 性 能。等 发现，添加 的氧化石墨烯可显著增加水泥的抗折及抗压强度。然而，分散性是制约石墨烯作用的一个障碍。吕生华等，借助氧化和超声分散法，制备了石墨烯纳米氧化物（）的分散体，研究了纳米片层对水泥基复合材料的增强作用和机理。程志海等 发现聚羧酸系（）可增强 石 墨 烯 在 水 泥 基 材 料 中 的 分 散 性。王 优 群等 借助苯乙烯马来酸酐共聚物来分散石墨烯，发现分散效果良好。然而，不同种类的石墨烯在水泥基材料中的分散性及使用效果仍需具体探究。本文采用聚氧代乙烯壬基苯基醚（）、十二烷基苯磺酸钠（）、聚乙烯吡咯烷酮（）对石墨烯进行分散，制备出不同石墨烯掺量、不同水灰比下的石墨烯改性水泥胶砂，并借助抗压抗折试验及扫描电子显微（），研究石墨烯对水泥胶砂的力学性能增强效果及机理。原材料及试验方法 原材料的制备本试验选用 级普通硅酸盐水泥，标准砂及 型石墨烯，其技术指标如表与表所示，石墨烯宏微观形貌如图所示。年第期肖华等：片状石墨烯对水泥胶砂力学性能的影响表水泥的技术指标细度比表面积 标准稠度用水量凝结时间 初凝终凝 表石墨烯技术性质分类外观粒径（）堆积密度 分散剂含量含水率合格标准 黑灰色粉末 检测结果 黑灰色粉末 测试方法目测激光粒度法堆积密度仪原料配比不含挥发物含量测定图石墨烯的宏微观形貌本文选用聚羧酸高性能减水剂（）用以确保水泥基材料的工作性能，防止水泥胶砂材料出现离析，改善水泥与石墨烯的相容性，其技术性质见表。表 聚羧酸高性能减水剂技术性质项目值项目值密度（）含气量 值泌水率比 水泥净浆流动度（），硫酸钠含量 固含量 含量 减水率 碱含量 消泡剂又称消沫剂，采用磷酸三丁酯消泡剂 （），该型号消泡剂耐热性好，且与水泥相容性好，用以消除超声分散过程中产生的泡沫。石墨烯分散液的制备虽然石墨烯在增强水泥基材料方面具有较大优势，但其分散性是制约使用效果的重要因素。本文选用聚氧代乙烯壬基苯基醚（）、十二烷基苯磺酸钠（）、聚乙烯吡咯烷酮（）等种表面活性剂作为分散剂，借助超声处理技术来提高石墨烯分散性。不同类型石墨烯分散液如图所示。根据石墨烯的析出团聚程度可以判断石墨烯在 中的分散效果最好，其次为 ，而石墨烯分散效果最差、分散程度受时间影响最为明显的是 。图静置后的石墨烯分散液 水泥胶砂制备本试验水灰比分别为 、，分散剂为 ，减水剂选用聚羧酸高性能减水剂（）。发泡剂为 （），用来消除超声分散过程中产 生 的 泡 沫。石 墨 烯 掺 量 分 别 为 、，具体配合比如表所示。表石墨烯水泥胶砂复合材料配合比试样编号水灰比配合比 石墨烯 首先，将石墨烯分散液充分分散后加入搅拌锅内；依次加入消泡剂、水泥及标准砂，快速搅拌，最后加入 溶有减水剂的拌和用水，搅拌可得到石墨烯改性水泥胶砂。将混合胶砂材料粗略均匀分料装入尺寸为 的三联模中，一边振荡、一边捣压，使模具中的胶砂材料放出多余气泡。制作完成后，根据水泥胶砂力学性能规范中的养护标准进行养护，将试件放入水泥标准养护箱（温度 ，相对湿度 ）养护 后拆模，将拆模后的试件标记编号，随后将所有试件转移到 的养护室中，并放于水中养护至测试龄期。试验方法 胶砂力学性能试验方法依据 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（）对水泥胶砂、的抗压、抗折强度进行检测。微观（）试验方法本文采用扫描电子显微镜对石墨烯及石墨烯增强水泥胶砂试样形貌进行分析，以探究石墨烯对水泥胶砂力学性能的增强机理。结果与讨论 不同龄期下石墨烯掺量对力学性能的影响水灰比为 时，不同石墨烯掺量对水泥胶砂和 的抗折、抗压强度影响如图所示。由图可知，随着石墨烯掺量的增加，水泥胶砂的抗折、抗压强度呈现先增大后减小的趋势。相比于对照组，当石墨烯掺量为 时，抗压、抗折强度分别增加 、。在掺量为 时，抗 压、抗 折 强 度 达 到 极 值，分 别 增 加 了 、。这说明石墨烯填充了水泥胶砂的空隙，使其强度增加。随着石墨烯掺量的持续增加，填充效应减弱，水泥胶砂强度增长量下降。与抗压、抗折强度的变化类似，的抗折强度和抗压强度也在石墨烯掺量为 时取得极值，分别提升了 、。图不同龄期下石墨烯掺量对水泥胶砂力学性能的影响（水灰比为 ）试件早期 抗折、抗压强度虽然都在最佳含量处取得峰值，但就抗折强度来看，石墨烯对其 强度的增强率比强度的更大，而石墨烯对抗压强度的增强率相反，抗压强度增长率大于 增长率。水灰比为 时，水泥胶砂抗折、抗压强度发展趋势同 水灰比一样，也出现先增大后减小的现象，如图所示。由图可知，、抗折强度分 公路 年第期 年第期肖华等：片状石墨烯对水泥胶砂力学性能的影响别在石墨烯掺量为 时提高了 和 ，且、抗压强度分别提高了 和。与水灰比为 时相比，抗压强度增加幅度有所减弱。这是因为水灰比增加导致水泥胶砂中空隙增加，石墨烯填充作用减弱。图不同龄期下石墨烯掺量对水泥胶砂力学性能的影响（水灰比为 ）对水灰比为 的石墨烯改性水泥胶砂、强度进行分析（图），发现石墨烯掺量从 到 递增过程中，水泥胶砂抗折、抗压强度的变化规律与水灰比为 、时一致，呈先增大后减小的趋势。石墨烯增强水泥胶砂抗折强度从 升至峰值 ，且抗压强度从 升至 。抗折强度峰值为 ，出现在石墨烯掺量为 和 附近，抗压强度的峰值达到 ，出现在石墨烯掺量为 处。这证明水灰比为 时，石墨烯的掺入对水泥胶砂材料的力学性能有增强作用。不同水灰比下石墨烯掺量对力学性能的影响图为不同水灰比下石墨烯掺量对水泥胶砂力学性能的影响。由图可知，与对照组相比，石墨烯图不同龄期下石墨烯掺量对水泥胶砂力学性能的影响（水灰比为 ）的掺入对不同水灰比水泥胶砂力学性能均有提高，抗压和抗折强度极值均出现在掺量 处。随着水灰比增加，水泥胶砂、的抗折、抗压强度均呈下降趋势。这是因为水灰比增加导致水泥胶砂中空隙增加，石墨烯填充作用减弱。石墨烯增强水泥胶砂机理研究图为石墨烯改性水泥胶砂的中部断裂面的宏观形貌（以水灰比为 为例）。由图可见，在宏观层面上，石墨烯能有效阻止裂缝扩展，起到联结加强的作用。图是未掺加石墨烯的水泥胶砂和掺加 石墨烯的水泥胶砂试件微观形貌（以水灰比为 为例）。由图可见，未掺加石墨烯的水泥胶砂中，水泥水化产物的分布十分疏松，胶结料之间具有较多的孔隙，在外界荷载作用下，可能会造成裂缝进一步的发展；掺加 的石墨烯后，水泥胶砂早期水化物结合紧密，水泥骨料和水泥水化产物的黏结性更好。图为石墨烯在水泥胶砂中的填充形貌。在图（）中，水泥的早期水化产物分布在石墨烯周围，石图不同水灰比下石墨烯掺量对水泥胶砂力学性能的影响图石墨烯增强水泥胶砂的断裂面宏观形貌图水泥胶砂的微观形貌墨烯在水化物周围呈蜂窝状分布，石墨烯较深地镶入在水泥基材料的早期水合产物中。这说明水泥基材料与石墨烯黏结紧密，增加了其界面黏结强度从而增大了水泥胶砂的强度。通过超声法分散后的石墨烯片层能够相互交错，弯折、卷曲地填充水泥基材料的孔隙（如图（）所示），细化了水泥基基体的孔径尺寸。由前述研究可知，当石墨烯的掺量达到 时，水泥胶砂的抗折强度和抗压强度呈下降趋势；当石墨烯掺量达到 时，石墨烯片层结构以折叠、堆积的形态镶嵌在水泥胶砂中，难以均匀分布（如图 所示）。石墨烯的不均匀分散造成其与水泥基体界面间的缺陷更多，致使石墨烯水泥胶砂的力学性能进一步劣化。结语本文采用聚氧代乙烯壬基苯基醚（）、十二烷基苯磺酸钠（）、聚乙烯吡咯烷酮（）对石墨烯进行分散。而后制备了不同石墨烯掺量、水灰比掺量下的石墨烯改性水泥胶砂。最后，借助抗压抗折试验及扫描电子显微（），研究石墨烯对水泥胶砂的力学性能增强效果与作用机理。公路 年第期 年第期肖华等：片状石墨烯对水泥胶砂力学性能的影响图石墨烯填充基体的微观形貌图 石墨烯在基体中的团聚状态的微观形貌（）分散剂能有效改善石墨烯在水泥胶砂中的分散性。（）石墨烯的掺入显著增加了水泥胶砂、的抗折和抗压强度，种水 灰 比 均在掺 量为 取得最佳值，的抗折和抗压强度分别增加了 、。石墨烯掺量相同时，水泥胶砂的抗折和抗压强度均随水灰比的上升而逐渐下降。（）石墨烯片层以多样性形态填充水泥基材料孔隙，从而细化水泥基基体的孔径尺寸，增加了水泥基体间的胶结强度，进而增强了水泥胶砂材料的机械和力学性能。参考文献：，（）：吴凯，韩好，汪琪，等水凝胶复合水泥基材料性能与微结构特征 硅酸盐学报，（）：葛楠，胡卓君，刘艳明，等碳纳米纤维改性水泥基材料的变 形 及 抗 裂 性 能 建 筑 材 料 学 报，（）：李振东，孟丹，王智鹏，等 纳米二氧化硅改性混凝土宏观性能及微观调控机理分析硅酸盐通报，（）：张宝超，佟钰，李宛鸿石墨烯纸拉花及其水泥基复合材料的制备和性能材料研究学报，（）：阴钰娇，吴飞纳米二氧化硅氧化石墨烯复合物对普通硅酸盐水泥力学性能的影响硅酸盐通报，（）：张建武，汪潇，李志新，等氧化石墨烯对高掺量粉煤灰水泥基材料性能的影响及机理化工新型材料，（）：曾纪军，高占远，阮冬 氧化石墨烯水泥基复合材料的性 能 及 研 究 进 展 材 料 导 报，（）：孙延法，阮冬，汪晓娟，等石墨烯水泥砂浆力学性能及微观结构研究非金属矿，（）：陈佳敏，夏海廷，林志伟，等不同养护龄期和水灰比下纳米石墨烯片水泥基复合材料力学性能研究硅酸盐通报，（）：李东波，张鸿驰，刘春燕，等氧化石墨烯与粉煤灰增强水泥基材料的协同机理及其抗压性能尺寸效 应应用力学学报：，（）：，：吕生华，孙婷，刘晶晶，等 氧化石墨烯纳米片层对水泥基复合材料的增韧效果及作用机制 复合材料学报，（）：吕生华，马宇娟，邱超超，等 氧化石墨烯增强增韧水泥基复合材料的研究 功能材料，（）：程志海，杨森，袁小亚石墨烯及其衍生物掺配水泥基材料 研究进 展 复合材 料学 报，（）：王优群，何明胜，程佳佳，等 石墨烯的共价改性及其水分散性能研究非金属矿，（）：，（，；，；，）：，（），（）（），（），：；公路 年第期