氧化石墨烯在混凝土中的應用研究進展

(重慶交通大學 重慶 400074)

一、引言

近年來，隨著我國工程建設的快速發展，混凝土因其原材料來源豐富、施工便利、強度高和成本較低等優點，已經被大規模應用于各項工程建造中。然而，混凝土材料由于其脆性大而容易開裂，導致抗拉強度和應變能力較差。隨著納米技術的發展，國內外學者開始研究向水泥基材料中添加納米尺寸的材料以改善其力學性能和耐久性能。石墨烯是近年來納米材料中研究的熱點之一，它是迄今為止已知的強度最高的材料，且具有優異的光、電、熱、力學性能。在水泥基材料中加入石墨烯可改善水泥石的微觀結構，賦予水泥基材料更加優異的性能。但石墨烯本身很難溶于水且反應活性低，在水泥基材料中分散困難，因此水泥基材料和混凝土中多數采用氧化石墨烯(GO)作為納米增強材料。作為石墨烯的衍生物，GO同時具有超高的強度和柔韌性，其結構為二維的單一原子層，具有較高的比表面積，表面含有大量的活性官能團如羥基、羧基、環氧基和羰基等。這些含氧官能團使其具有親水性以及在水中有優越的分散性，可以和水泥基材料聚合從而大幅提高水泥基材料的各項性能。

二、氧化石墨烯(GO)的結構與性質

作為氧化還原法制備石墨烯的中間產物，GO是具有羥基、環氧基、羧基以及羰基等官能團的一種正六邊形片狀晶體結構的單一碳原子層，能夠在橫向尺寸上延伸到數十微米，其結構接近平面并呈現二維網狀。GO表面和層間具有多種含氧官能團，其平面上隨機分布著大量的羥基和環氧基團，而少量的羧基、羰基和酯基等存在于氧化石墨片層的邊緣部位，由于制備方法的差異、不同的實驗條件以及原材料石墨的不同來源等因素對其結構都有一定的影響，因此目前還不能確定GO的精確結構[1]。

GO表面的含氧官能團使得其碳層間帶負電荷，因此帶正電荷的陽離子較為容易進入層間使得層間距增大，這樣有利于聚合物和無機納米粒子的負載。近年來，GO的復合材料發展十分迅速，因其在水中易被分散制備成納米溶液，且易與其他化合物形成插層化合物，不論是其聚合物類復合材料還是無機物類復合材料，都顯示出非常優越的性能，在能源、電子、生物醫藥、催化及基建等領域都有潛在的應用價值[2]。

三、氧化石墨烯對混凝土性能的影響

(一)力學性能。陳亞兵[3]利用2.0%摻量GO與聚羧酸減水劑的復合物制備了C60高性能混凝土并測試了其抗壓強度，實驗結果表明28d齡期的摻加GO的試件比未摻加GO的對照組抗壓強度提高了15.8%，且早期強度增長比對照組也更快。M.Devasena[4]等的研究表明GO含量為0.1%的混凝土強度提高最明顯，其抗壓強度和抗折強度分別提高了11%和4%。Liulei Lu[5]等將GO加入超高強混凝土中探究其影響，發現GO會使混凝土的流動性能變小，但能增強其抗折和抗壓強度，其中加入0.01%含量的GO高強混凝土28d齡期抗壓強度提高了7.28%。楊文玲[6]等人的研究表明加入0.08%的GO可使混凝土28d抗壓強度提高5.8%。薛立強[7]對摻有GO的隧道襯砌混凝土進行了抗壓和抗折性能測試，發現含量為0.03%的GO混凝土強度提高最明顯，其28d抗壓和抗折強度分別提高了30.77%和21.92%。雷斌[8]等通過對再生混凝土加入GO進行試驗探究，顯示再生混凝土的力學性能也隨著GO摻量的增加而提高。郭凱[9]通過對GO再生混凝土界面過渡區的微觀力學性能和微觀結構特征分析，表明GO的加入能使過渡區彈性模量增加，且對新舊砂漿界面過渡區尤為明顯。

(二)耐久性能。楊文玲[6]等對GO礦渣粉末水泥混凝土進行了抗OH-和SO42-侵蝕試驗，結果表明GO混凝土抗侵蝕系數顯著提高，這是由于GO的活性基團OH-和COOH-中和了礦渣水泥表面的正電荷吸附在表面，使溶液中的OH-和SO42-難以侵入，從而提高混凝土的耐侵蝕性。薛立強[7]通過對GO混凝土進行抗氯離子侵蝕試驗，研究發現隨著GO的摻量提高，其抗氯離子侵蝕深度逐漸減小并且均勻分布，表明GO對混凝土材料抗氯離子性能有明顯的提高。雷斌[8]等對含有GO的再生混凝土進行了凍融循環試驗，結果表明GO摻量在0.02%～0.06%之間的再生混凝土抗凍性能有提高。杜濤[10]對GO粉煤灰混凝土進行了抗氯離子滲透試驗，研究顯示在0.3水膠比的粉煤灰混凝土中摻加0.15%的GO能使氯離子擴散系數降低52.8%。

(三)其他性能。杜濤[10]通過對GO混凝土孔結構分析發現含量0.05%的GO能夠使混凝土孔隙率降低約16%，0.03%的GO能夠使混凝土孔徑分布得到較好的改善。A.Mohammed[11]等人通過試驗研究了在高溫下對普通混凝土和高強混凝土摻入GO的影響，并綜合分析了試件的熱傳導、殘余力學強度、孔隙結構、質量損失及體積膨脹。結果表明GO能顯著提高試樣的力學強度，其殘余抗壓強度約為70%，而基準試樣的殘余抗壓強度為35%，這是可能是由于GO使混凝土試件的孔隙結構得以改善，也使得GO混凝土具有較好的抗裂性能和抗剝落性能，從而維持了力學強度。

四、結語及展望

綜上所述，現階段GO對混凝土各項性能與機理研究已取得了諸多成果，主要體現在力學性能和耐久性方面，極少摻量的GO就能使得混凝土的各項性能得到極大的改善，因此GO在混凝土中的應用將有廣闊的前景。目前學者們主要對GO混凝土的力學性能進行了大量研究，而關于耐久性方面的研究僅有抗凍性、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕，要使GO混凝土在實際工程中得到推廣應用，還應對其耐久性進行更深入更全面的研究，如抗水滲透性、收縮徐變、早期抗裂、碳化試驗、抗疲勞變形等方面也需進行廣泛的研究，為GO在工程中的應用提供參考。