氧化石墨烯在水泥基材料中性能研究進展

付文堂 范志宏 劉文昌

（1.廣州大學土木工程學院，廣東 廣州 510006；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510220；3.廣州番禺橋興建設安裝工程有限公司，廣東 廣州 511400）

隨著社會的不斷進步和發展，我國的建筑產業正發揮著越來越重要的作用，其主要組成部分水泥基材料的應用也在不斷拓寬。眾所周知，納米材料是粒徑為納米級的超細材料，其引入可以給許多物質賦予了非常優異的性能。所以，納米材料給我們開發研究傳統建筑材料如水泥和混凝土等建筑材料方面提供了一種的新方法。

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，是現如今人們已知材料中強度最高、韌性最好、比表面積最大的材料，但由于其價格昂貴且具有不親水，易團聚，較難分散的特點，在一定程度上制約了石墨烯在水泥基材料中的應用。而氧化石墨烯（Graphene Oxide，簡稱GO）是由石墨氧化制備石墨烯的中間產物，其結構與石墨烯大體相同，且較容易被分散制備，所以在某種程度上，GO已成為替代石墨烯的最佳選擇。GO是由在C-C原子之間的SP2混合結構形成的單個原子層組成（厚度僅為0.34 nm），是一種單層二維褶皺晶體材料，排列成蜂窩狀，具有多個含氧官能團，如羥基，羧基，羰基，環氧基等，因此具有兩性分子的特性[1]。基于上述GO的優良特性，人們嘗試將其應用到土木建筑材料領域中，并對其進行了大量的分析研究，取得了一些重要的研究成果。本文主要從氧化石墨烯在水泥基材料中的性能等方面的研究成果進行綜述。

1 氧化石墨烯在水泥基材料中的改性研究

關于GO在水泥基材料中的性能，許多學者已經通過將GO添加到水泥基材料中的研究發現它對其機械性能，耐久性，電磁性能和壓敏性能都有重要影響。當前GO在水泥基材料的研究內容主要集中在以下三個方面：（1）摻入GO對水泥基材料工作性的影響；（2）摻入GO對水泥基材料力學性能的影響；（3）摻入GO對水泥基材料耐久性的影響。

1.1 氧化石墨烯對工作性的影響

隨著我國高層大跨度結構的飛速發展，現代施工對混凝土工作性正不斷提出更高的要求，對于性能優異的功能材料GO對水泥基材料工作性方面的研究也越來越多，一些主要的研究成果如下：

Wang等[2]系統地研究了GO對水泥基復合材料流動性的影響。摻入GO使水泥漿的流動性整體降低，黏度迅速增加，凝結時間相應減少。Wang通過試驗表明，與基準樣品相比，水泥漿流動性降低了70%，黏度增加了1 850%，初凝時間縮短了23.5%，終凝時間減少9%，他認為GO的摻入會導致水泥基材料工作性變差。

呂生華等[3]采用氧化法和超聲波分散技術制備了GO納米分散體，研究了GO對水泥流動性的影響。試驗結果表明GO摻量為0.01%、0.03%、0.05%、0.07%和0.09%時，保持水泥漿的流動性在200 mm以上所需的減水劑PC的量分別為0.24%、0.28%、0.32%、0.36%和0.4%。他得出GO的摻入降低了凈漿流動性的結論。

綜上所述，GO的摻入會使得水泥基復合材料流動性降低，與此同時，雖然目前已有研究涉及關于提高水泥基復合材料的流變性能[4-6]，但仍沒有解決GO導致其流動性降低的問題，尤其當用于混凝土的制備時，粗骨料的加入導致整個體系的摩擦阻力增大，進一步導致施工困難。因此，提高混凝土的工作性、減少坍落度損失，以及提升現代混凝土的服役性能是當前迫切需要解決的問題。

1.2 氧化石墨烯對力學性能的影響

目前，雖然關于GO水泥基復合材料力學性能的研究相對較多，但是它們并未涉及長期力學性能的研究，在這些方面還需要我們共同去完善并深入分析討論。以下是關于GO水泥基復合材料力學性能一些主要相關研究者的試驗成果。

蒙飛等[7]在GO在油井水泥基復合材料的應用研究中發現，GO的質量含量為0.05%，與純水泥漿體硬化體相比，水泥漿體硬化體的抗拉強度，抗彎強度和劈裂抗拉強度分別提高了68.63%，17.44%和159.12%；他認為是由于水泥石在受外力破壞時，氧化石墨層內、層間均出現損傷；一方面氧化石墨層內破壞時其化學鍵必然斷裂而耗能，另一方面氧化石墨層間剝離時需克服層間作用力而耗能，GO主要通過上述兩方面的作用增強水泥石力學性能。

呂生華等[8]還發現當GO的摻量為0.03%時，水泥基復合材料的拉伸強度，彎曲強度和抗壓強度分別提高了65.5%，60.7%和38.9%。在掃描電鏡（SEM）觀察下，發現GO對水泥水化的微觀結構具有顯著影響。他認為是由于GO的加入使水泥水化產物形成花狀晶體，增加了內部結構的致密性，從而提高其強度。

Pan等[9]向普通波特蘭水泥中添加質量分數為0.05%的GO?？箟簭姸忍岣?5%～33%、抗折強度提高41%～59%。在掃描電子顯微鏡（SEM）的觀察下，發現微裂紋是高度彎曲的，并且GO的大比表面積增加了水泥的強度。他認為是由于納米級C-S-H的形成提高了水泥的黏結強度，GO阻礙了微裂紋的形成，由此改善水泥基復合材料的抗壓和抗折強度。

Babak[10]研究了GO對水泥復合材料力學性能的改善作用。利用質量分數為0.5%的聚羧酸減水劑將0.1%～2%的GO分散，然后將分散好的GO摻加到水泥中，測定了含0.1%～2%的GO和0.5%聚羧酸減水劑的水泥復合材料的力學強度，并與不含GO的水泥進行了比較，發現水泥砂漿抗拉強度隨GO含量的增加而增加，當GO含量達到1.5%時，抗拉強度提高48%。他認為這是由于GO比表面積較大，易被水泥水化產物包裹而加快了水泥水化，形成更多的水化硅酸鈣，從而提高了水泥基材料的強度和抗滲性。

綜上所述，GO的摻入對水泥基材料力學性能的效果有所差異，這可能與GO尺寸、片層厚度、添加方式、分散情況不同以及是否添加表面活性劑有關，但對水泥基材料力學性能的提高還是顯而易見的，因為GO可以通過其自身分子，GO分子和水泥晶體之間的相互作用來改善水泥內部的結構排列，使結構變得更加致密。此外，GO還可以控制水泥水化晶體在晶體內部產生裂縫和空隙中的花狀晶體產品，通過填充和交聯作用對水泥基材料起到增強和增韌的效果。

1.3 氧化石墨烯對耐久性的影響

水泥基材料的耐久性決定了建筑結構的使用壽命，因此，研究 GO 對水泥基材料耐久性能研究就顯得非常重要。水泥基材料的耐久性涉及方面廣泛，包括鋼筋腐蝕（由氯化物或碳化引起），凍融循環，堿骨料反應和耐腐蝕性等一些方面。雖然現在在此方面有一定程度的研究，但深度和廣度分析和相應模型的構建還遠遠不夠，這還需要科研工作者在后續的深入研究。

Mohammed等[11]在氯化鈉水溶液中浸泡了不同摻量的GO水泥試塊，并在35天后進行了測試。實驗結果表明，當加入少量GO（0.01%）時，試樣內的氯離子含量極小。他認為是由于GO改善了水泥水化的結構，同時減少了水泥基材料微觀結構中的空隙，從而有效地抑制了氯離子的侵入，這樣可以有效地保護水泥基體中的鋼筋免受腐蝕，從而延長其使用壽命。

楊雅玲[12]研究了不同摻量GO在不同濃度鹽溶液中分別在長期浸泡和干濕循環作用下對水泥基材料的耐腐蝕性能的影響。她認為不同摻量GO對水泥基材料耐鹽堿腐蝕性能均有著不同程度的提高，當GO摻量為0.03%時，可以非常有效地阻礙氯離子的滲透，從而有效提高水泥基材料的耐腐蝕性能。

綜上所述，GO可以改善水泥水化的內部結構，同時可以減少水泥基材料微觀結構中的孔隙，從而有效地抑制了氯離子的侵入，延長水泥基材料的使用壽命，同時也保護水泥基體中的鋼筋免受腐蝕，從而可以延長建筑物的使用壽命。與此同時，不同摻量GO對水泥基材料耐鹽堿腐蝕性能均有著不同程度的提高作用。

2 結語

GO作為一種強度高、韌性好、比表面積大的材料在水泥基材料中性能表現優異，GO的摻入會導致水泥基復合材料工作性降低，但聚羧酸高效減水劑可以解決摻入GO時流動性降低的問題以及在水泥基復合材料分散不均勻的問題；除此之外，GO可以通過其自身分子和水泥晶體之間的相互作用來改善水泥內部的結構排列，使結構變得更加致密，從而增加水泥基材料強度，而且GO還可以增強水泥水化的結構，減少結構內部孔隙，從而有效地抑制了氯離子的侵入，達到增強水泥基材料的耐久性的效果。

盡管如此，GO相對于混凝土外加劑成本而言仍然較高，且實驗室的環境條件較為理想，而實際工程的情況較為復雜，這也是制約它在工程實際應用的進一步發展的重要因素，因此，要想讓GO大規模用于工程實踐可能還有很長一段路要走，但是從另一方面來說，對于有特殊要求的水泥基材料相關領域來說，GO可以憑借其出色的性能讓其更好地發揮它的獨特價值。