氧化石墨烯摻加在水泥基材料的應(yīng)用研究

王遠(yuǎn)貴

摘 要：氧化石墨烯（GO）表面有多種活性官能團，溶于水，它粒徑非常小、層薄、比表面積大。本文從GO的制備方法、分散方法，總結(jié)了其對水泥基復(fù)合材料的性能的影響，描述了目前氧化石墨烯應(yīng)用于水泥基材料的現(xiàn)狀和存在的一些問題，為今后的研究提供一些參考。

關(guān)鍵詞：GO；增強；水泥基材料；力學(xué)性能

GO是石墨烯片層經(jīng)過氧化而來的衍生物，由碳苯環(huán)單層排列而成，分子結(jié)構(gòu)中含有-OH、-COOH等，有很大的比表面積。氧化石墨烯由于被氧化的程度不同被認(rèn)為是一種不規(guī)則不均勻存在的碳材料，由于它獨特的結(jié)構(gòu)和性能，GO可以得到很多科學(xué)應(yīng)用，目前，國內(nèi)外許多學(xué)者將GO材料應(yīng)用到水泥基材料中，研究了GO對水泥基材料的強度、微觀形貌、和對水泥水化熱的影響以及對水泥基材料的的抗?jié)B性，抗凍性影響等[1]。GO分解在水溶液中易形成分散片層，以此用于水泥拌合可以改善晶體的生長結(jié)構(gòu)和凝膠石數(shù)量來改善水泥基復(fù)合材料的強度和耐久性。

1. 氧化石墨烯制備

目前GO的制備方法，以化學(xué)方法制備為主，原理是用酸和氧化劑共同處理石墨，生成石墨層間化合物，然后使用強氧化劑深度氧化，然后進行分解得到氧化石墨，最后通過過濾水洗的方式去除雜質(zhì)之后，再經(jīng)過超聲和攪拌得到氧化石墨烯的水溶液。此類制備方法的缺點在于會產(chǎn)生有害氣體，造成環(huán)境污染；對制備的GO進行水洗和過濾，增加了過程工藝的復(fù)雜性。近幾年已經(jīng)發(fā)展到采用更為簡單，更低廉成本，更環(huán)保綠色的電化學(xué)方法制備GO，這種方法制備的GO材料具備更好的物理化學(xué)性能。

2. GO的分散

GO具有很大的比表面積，很容易發(fā)生粘聚，GO的在水溶液中分散得品質(zhì)直接影響著水泥基復(fù)合材料的性能，因此，GO應(yīng)采取措施將其均勻地分散到水中形成水溶液，然后用到復(fù)合材料中。目前，氧化石墨烯分散的辦法有超聲波分散法、電泳分散法。超聲波分散法是利用超聲波在水中產(chǎn)生的氣泡瞬間破裂時產(chǎn)生的沖擊波，克服GO分子間的引力作用，以此達到分散的目的。電泳法是在溶液中通電，利用電場作用使GO分子分散[2]。目前常采用添加外加劑的方法對進行分散。外加劑常利用空間位阻效應(yīng)和庫侖力防止阻止GO聚集，促使GO分散。現(xiàn)在有很多對GO進行分散的外加劑研究，表明，存在有效的外加劑可以對GO水溶液進行分散，且分散效果穩(wěn)定性良好。GO在水泥漿液中會發(fā)生聚沉現(xiàn)象，所以可以用外加劑作為水泥漿中的分散劑將水泥漿中的GO分散，發(fā)揮GO的作用?？擅黠@改善水泥基材料的抗壓強度、抗折強度及耐久性。

3. GO在水泥基材料中的應(yīng)用

3.1 GO對水泥基材料的增強作用

在聚羧酸減水劑的作用下，GO能在水泥漿體中得到更好分散，以此發(fā)揮GO的納米材料性能。呂生華[3-5]等發(fā)現(xiàn)GO在適當(dāng)?shù)膿搅肯驴蓪λ嗍兴嗨a(chǎn)物晶體的生長有模板作用和促進作用，它能夠促進水泥水化產(chǎn)物形成規(guī)則的晶體，從而對凝膠石有顯著的增強作用，特別是對早期強度影響更為明顯[6]。有也研究者發(fā)現(xiàn)適量的GO能夠增加水泥凝膠石晶體的數(shù)量，減少水泥石的大孔，增加微孔結(jié)構(gòu)，改善水泥石的抗?jié)B和抗凍性，增強水泥基材料的耐久性。GO的增強水泥基材料作用包括填空作用、模板作用和連接作用。水泥凝膠石多為無規(guī)則的無定形的雜亂無章的針棒狀晶體，這些都是造成水泥基材料缺陷的本源。GO的加入可促進晶體生成及增加晶體數(shù)量，彌補水泥石裂縫，改善孔結(jié)構(gòu)，進而改善水泥基材料的強度和抗裂性。

3.2 GO對水泥基材料耐久性的改善作用

GO促進水化產(chǎn)物晶體生長，可以填充不同尺寸的孔徑，孔徑分布越小，裂縫減少減小，使氯離子遷移更困難，進而相對保護了水泥石的抗氯離子滲透性。GO通過改善漿體的孔結(jié)構(gòu)，切斷了水在水泥石中的通過，對其耐久性有顯著地提升，摻加GO的水泥石表現(xiàn)出良好的抗?jié)B能力。GO的大表面積決定了其須在一個恰當(dāng)?shù)膿搅糠秶?，摻量過少則起不到作用，摻量過多則會吸收大量的自由水，反而使賦予流動的水減少，使拌合物變干，增大空隙，起到反作用。在對抗凍性影響方面，由于GO的加入，改善了水泥石內(nèi)部微小孔徑，使水分子在細(xì)小的空隙內(nèi)較難發(fā)生凍結(jié)，改善了水泥基材料的抗凍性。水泥石材料侵蝕主要是因為SO42-的通過擴散進入水泥石內(nèi)部，與水泥石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引發(fā)水泥石的侵蝕。當(dāng)環(huán)境中存在Mg2+時，Mg2+可以加速侵蝕反應(yīng)，生成松散的Mg（OH）2和CaSO4·2H2O，并降低了水泥石內(nèi)部的堿性，造成鹽腐蝕。GO的摻加后由于更密實的C-S-H晶體生長和更微小的縫隙，孔洞，阻斷了SO42-的遷移通道，對水泥石侵蝕減小，耐久性增強。

4. GO對水泥基材料影響機理

水泥的主要成分包括硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣，通過水泥的水化反應(yīng)，生成呈針棒狀的鈣礬石、單硫型水化硫酸鈣，針狀、片狀的氫氧化鈣和無規(guī)則形狀凝膠石，由于這些水化物無規(guī)則，晶體生長錯亂交替，所以水泥石存在裂縫，空隙等缺陷。GO加入后能促進水泥水化，為晶體生長提供模板，促進水化產(chǎn)物生長，使微觀結(jié)構(gòu)變得致密，填充基體空隙和裂縫，減少水泥石缺陷，提高了水泥石的強度和耐久性。GO薄片可以附著晶體，可以減少微觀孔徑，以及水泥硬化體的孔隙率，只要這些晶體在空隙，微小裂縫以及其他的一些缺陷結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生，這些水化物晶體則會沿著不同方向生長蔓延，所以GO有填隙效應(yīng)、連接以及阻斷微裂縫生長的作用[7]。

5. 結(jié)語

目前GO研究成果表明，GO具有促進水化晶體生長的作用，并填充水泥基體的孔隙和限制裂縫的延申，提高了水泥漿體的強度和耐久性。在水泥漿體中必須使GO盡量分散，但是目前就如何使GO在水泥凈漿中均勻分散還需要深入研究。GO摻加水泥基復(fù)合材料產(chǎn)生的影響機理探索，從微觀分析對解釋GO在對水泥基材料宏觀上的促進和調(diào)節(jié)作用具有重要意義。由于水泥水化的復(fù)雜性，在GO對水泥基復(fù)合材料的影響也是復(fù)雜多樣，還有很多領(lǐng)域在目前研究中沒有研究透徹。隨著各種檢測，分析技術(shù)的日趨完善，充分利用這些先進檢測工具，對GO在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用研究，提供有效支撐。

參考文獻

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