氧化石墨烯混凝土的聲發射檢測

李加鵬1，秦 磊1，趙 鵬1，范夕森

(1.濟南大學 土木建筑學院，濟南 250022；2.山東建筑大學 土木工程學院，濟南 250101)

隨著混凝土的廣泛應用，對于混凝土的性能要求也越來越高，現代高性能混凝土具有早期強度高、耐久性高、良好的和易性(流動性、黏聚性和保水性)以及良好的體積穩定性等優點[1]。現在大多混凝土中常添加多種外加劑、高性能纖維以及礦物摻合料，這些方法一方面沒有從水泥水化過程的特點出發，另一方面導致了高性能混凝土生產成本的提高，嚴重阻礙了高性能混凝土的發展應用。因此，尋求一種提高混凝土[2]性能的低成本方法具有非常大的研究價值。

氧化石墨烯[3-5]作為石墨烯發生氧化反應生成的派生物，具有超高的強度、導電性、比表面積和增韌性，國內外學者對其進行了深入地研究。NOVOSELOV等[6]在2004年分離出單層石墨烯，至此石墨烯在全世界成為研究熱點。STANKOVICH等[7]通過共混法制備了石墨烯有機聚合物復合材料，研究顯示該種復合材料的閾值比較小，在石墨烯中摻加不同含量的有機物即可研究該復合材料的導電性能。INKYU等[8]發現在水泥砂漿中添加一種特殊形狀的石墨烯可以增加其抗壓強度，并且在一定范圍內，隨著其摻量的增加，水泥砂漿的強度與其摻加量成正比。LI等[9]通過試驗證明摻加氧化石墨的水泥漿體的電阻系數和抗壓強度明顯高于普通水泥漿體的。GEETHA等[10]通過對摻加特定量的化學與礦物摻合料的加氣混凝土的試驗得出結論：當氧化石墨烯的摻量為0.05%時，混凝土的抗壓強度提高了20%左右。王輝等[11]通過試驗得出：改變石墨烯的摻量可以很好地消除氧化石墨烯與水泥基體界面不相容的問題，而使其過渡界面更加平穩，并指出在石墨烯摻量為0.04%時，界面更加平滑，其抗壓強度得到明顯提高。呂生華等[12]通過水化反應試驗確定了水化反應發生時氧化石墨烯的最佳摻量為25%左右，通過改善其水化產物形狀提高了其抗壓強度。杜濤[13]通過試驗得出了在普通混凝土中摻加氧化石墨烯可以明顯減少混凝土的孔隙率以及提高其峰值應力，從而提高其3，7,28d的抗壓強度。王健[14]通過研究得出氧化石墨烯的加入可以提高混凝土的抗滲性并增強其抗壓、抗折強度，利用X射線衍射分析技術進一步確定了摻加氧化石墨烯的水泥漿體的凝膠更加密實。饒春華[15]分別在水泥砂漿和混凝土中摻入氧化石墨烯，進行了各種力學性能測試，得出摻入氧化石墨烯對砂漿和混凝土的各種力學性能、耐久性、抗壓強度等都有提高作用的結論。

盡管目前有很多關于普通混凝土的聲發射特性研究，但是關于氧化石墨烯混凝土的聲發射特性的研究較少。筆者通過氧化石墨烯混凝土的抗壓聲發射試驗，來研究氧化石墨烯的摻量對混凝土的力學性能、聲發射性能參數的影響規律，并探索混凝土的破壞機理，為氧化石墨烯混凝土的聲發射特性研究提供理論基礎。

1 聲發射試驗

1.1 試驗原材料

試驗原材料采用山水集團生產的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥、西班牙進口的質量分數為0.04%的氧化石墨烯溶液，減水劑采用聚羧酸減水劑粉末(其減水率在25%35%左右，并采用中國ISO標準砂，粗骨料采用直徑為525 mm的碎石)。

1.2 試塊的制備

制備了不同氧化石墨烯(GO)摻量的6組邊長為100 mm的C30立方體試塊，聚羧酸系減水劑固體摻量為水泥質量的0.2%，石墨烯的固體摻量分別為水泥質量的0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%。由于試驗采用的液體氧化石墨烯水溶液的濃度為4 mg·ml-1，因此需要進行化簡，得到加入的液體氧化石墨烯摻量。6組試塊的水泥、水、沙子、石子和減水劑的質量相同，分別為3.94 kg,1.85 kg,5.74 kg,12.5 kg,7.88 g，6組試塊GO溶液的摻量分別為0,4.6,9.2,13.8,18.4,23 ml。

1.3 試驗方案

根據上面列出的相應配比，通過將水泥、沙子、石子、水和不同摻量的GO溶液，按一定配合比混合，經過攪拌、注模、振搗，在1525 ℃的溫度和相對濕度在90%以上的潮濕空氣中標準養護到相應的齡期，按照要求連接好聲發射儀器，連接示意如圖1所示。根據GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行單軸抗壓試驗。試驗采用的聲發射儀型號為DS 5-8 B，聲發射傳感器型號為RS-5A，兩個傳感器在混凝土兩側對立放置，用耦合劑將傳感器黏貼在打磨光滑的混凝土試塊表面上，利用斷鉛試驗檢查傳感器的耦合情況。通過多次預試驗確定了聲發射門檻值為45 dB。

圖1 聲發射儀與壓力機連接示意

2 基本力學性能

2.1 力學現象

在混凝土單軸受壓試驗過程中，各個試塊的破壞形態基本一致，都是隨著荷載的增加，混凝土表皮開始慢慢剝落，內部裂縫開始慢慢擴展，最終形成貫通裂縫，試塊破壞。從破壞形態看，3個未摻加氧化石墨烯的試塊都受到了嚴重破壞，摻加氧化石墨烯的試塊的整體性，相對于未摻加的試塊的整體性要好得多，各試塊的破壞狀態見圖2。

2.2 力學性能

不同氧化石墨烯摻量的混凝土試塊，在不同齡期的單軸抗壓強度曲線如圖3所示，可見,無論隨著齡期的增加還是氧化石墨烯摻量的增加，混凝土強度都是增加的。對于28 d齡期的混凝土，0.01%,0.02%,0.03%,0.04%,0.05% 5種摻量的混凝土抗壓強度分別較其未摻加氧化石墨烯時提高4%,8%,14%,24%,35%。這是由于氧化石墨烯的加入會加速水泥的進一步水化，并且對水泥水化產物的形成具有促進作用和模板效應，即形成了更多的水泥結晶產物，這些結晶產物填充了水泥石內部的各類孔隙，使水泥石內部結構更加致密，從而提升了水泥石的抗壓強度。

圖4 不同氧化石墨烯摻量的混凝土振鈴計數率

圖2 各混凝土試塊破壞圖

圖3 不同齡期、不同摻量的混凝土抗壓強度曲線

3 氧化石墨烯混凝土聲發射性能

3.1 聲發射振鈴計數率分析

不同氧化石墨烯摻量的混凝土振鈴計數率如圖4所示，從圖4可以看出，不論是否摻加氧化石墨烯，混凝土加載破壞試驗都可以劃分為5部分，聲發射振鈴計數率與時間的關系曲線的變化趨勢相似。在初始壓密階段，聲發射振鈴計數率都非常低；而后振鈴計數率會有一個突然的增加，從一秒幾次到一秒幾百次(彈性變形階段)；緊接著在一段微小的波動后，聲發射振鈴計數率維持在一個較高的水平(塑性變形階段)；隨著試驗的進行，聲發射振鈴計數率開始急劇下降，直到最低點(主裂縫產生)；最后聲發射振鈴計數率會有一個恢復階段。顯然，振鈴計數率突然下降意味著混凝土內部開始形成主裂縫，主裂縫擴展最終形成貫通裂縫，試件破壞。

圖5 普通混凝土在相對應力達到40%時的聲發射 時域、頻域波形圖

圖6 0.01%GO摻量的混凝土在相對應力達到65%時的 聲發射時域、頻域波形圖

圖7 0.02%GO摻量的混凝土在相對應力達到20%時的 聲發射時域、頻域波形圖

圖8 0.03%GO摻量的混凝土在相對應力達到70%時的 聲發射時域、頻域波形圖

圖9 0.04%GO摻量的混凝土在相對應力達到75%時的 聲發射時域、頻域波形圖

圖10 0.05%GO摻量的混凝土在相對應力達到55%時的 聲發射時域、頻域波形圖

圖11 不同GO摻量的混凝土優勢頻率圖

3.2 時域、頻域分析

圖510為不同氧化石墨烯摻量混凝土的部分聲發射信號時域、頻域波形圖。圖11 為28d齡期混凝土的氧化石墨烯摻量分別為水泥質量的0，0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%時的優勢頻率圖(優勢頻率是指大多數的頻率分量所處的一個頻率范圍空間)。由圖11可以明顯看出：隨著氧化石墨烯摻量的增加，混凝土的優勢頻率越來越高，頻帶范圍越來越寬。例如，對于普通混凝土，其頻譜范圍比較窄，在20 kHz左右;當摻量為0.01%時，其優勢頻率增加了一個55 kHz的小波包;隨著氧化石墨烯摻量的增加，混凝土的頻率范圍越來越寬，到了0.05%摻量時，其優勢頻率的最大頻率值已經達到130 kHz。而通過圖3可知，隨著氧化石墨烯摻量的增加，混凝土的強度越來越高，這也進一步驗證了文獻[16]的結論：隨著混凝土強度的增高，混凝土聲發射活動越來越劇烈，混凝土聲發射頻率也越來越高。

4 結論

(1) 隨著氧化石墨烯摻量的增加，混凝土各齡期的抗壓強度不斷增大，并且破壞時其整體性也比普通混凝土的整體性要好。

(2) 不同氧化石墨烯摻量的混凝土聲發射特性不同，根據不同階段的振鈴計數率,可將混凝土的受壓破壞過程分為5個階段，隨著氧化石墨烯摻量的增加，初始壓密階段的時間是滯后的，塑性變形的持續時間則先增加后減少。

(3) 隨著氧化石墨烯摻量的增加，混凝土的頻率范圍越來越寬，優勢頻率的最大值由普通混凝土時的20 kHz增加到0.05%摻量時的130 kHz。