石墨烯混凝土研究進(jìn)展

呂岱螢，王 軍

廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105

普通硅酸鹽水泥混凝土因其優(yōu)良的抗壓強(qiáng)度而成為應(yīng)用最廣泛的建筑材料之一。但混凝土缺乏延性性，且抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度較低，抗裂能力較差，所以人們做了許多實(shí)驗(yàn)來(lái)增強(qiáng)它的性能比如添加輔助膠凝材料（如粉煤灰、高爐爐渣等）和纖維（如玻璃纖維和鋼纖維），但它們不能充分增強(qiáng)其物理性能和納米級(jí)的耐久性。普通硅酸鹽水泥的主要粘結(jié)劑是砂、粗粒礫石或碎石，通過加入水與粗骨料形成混凝土，開始水合作用。為了更有效的改善混凝土的各項(xiàng)性能，氧化石墨烯常常作為其添加材料進(jìn)行研究。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

Yu-You Wu，Longxin Que，Zhaoyang Cui，Paul Lambert［1］在2019 年分別在成都理工大學(xué)土木工程系、謝菲爾德哈勒姆大學(xué)材料與工程研究所進(jìn)行氧化石墨烯納米片的實(shí)驗(yàn)，證明了氧化石墨烯納米片的摻入可以改變混凝土的抗壓和抗彎性能和塌落度參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)材料中，所有的混凝土混合料均采用普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分也相同，細(xì)骨料和粗骨料為天然河流，細(xì)度模數(shù)為2.74 的砂子和尺寸為5～20mm 的破碎石英，摻入聚羧酸鹽基高效減水劑改善其工作性能，利用氧化石墨烯納米片作為水分散液，合成了氧化石墨烯納米片。研究表明，添加氧化石墨烯納米片可有效提高普通硅酸鹽水泥膠體的抗壓和抗彎性能，證實(shí)氧化石墨烯納米片是水泥基復(fù)合材料中納米增強(qiáng)材料的良好候選材料。我們對(duì)摻量為0～0.08%、水灰比為0.5的氧化石墨烯納米片增強(qiáng)混凝土的坍落度和物理性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)摻有不同石墨烯氧化納米片含量的混凝土在7d、14d、28d 試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，與未摻入氧化石墨烯納米薄片的混凝土相比，摻入氧化石墨烯納米薄片的混凝土試件普遍具有較高的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)氧化石墨烯納米片含量從0.02%增加到0.08%時(shí)，28d 的抗壓強(qiáng)度從46.47 MPa 增加到55.22 MPa，與沒有氧化石墨烯納米片的混凝土試件相比，從12.84%增加到34.08%。這證實(shí)了在水灰比為0.5 的情況下，氧化石墨烯納米片的含量從0.02%增加到0.08%，可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。而且抗彎強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的試驗(yàn)條件下，混凝土試件在7d、14d、28d 的抗彎強(qiáng)度均有不同程度的提高，抗彎強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中隨著氧化石墨烯納米片含量增加，前14d的增長(zhǎng)速度比14d 到28d 的增長(zhǎng)速度快，對(duì)于給定的氧化石墨烯納米片，28d 內(nèi)的添加量從0.02%增加到0.08%。彎曲強(qiáng)度的變化趨勢(shì)顯示不同氧化石墨烯納米片添加量下的混凝土試樣隨齡期的變化是增加的，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度是相關(guān)的。通過幾組數(shù)據(jù)的分析比較，我們可以通過結(jié)果繪制出一個(gè)函數(shù)Ff=0.076 Fc+23.0612（Ff為抗壓強(qiáng)度，F(xiàn)c為抗彎強(qiáng)度）。對(duì)氧化石墨烯納米片增強(qiáng)水泥砂漿的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)者認(rèn)為這可能是增強(qiáng)機(jī)械聯(lián)鎖的結(jié)果。微裂紋與氧化石墨烯納米片之間存在著強(qiáng)烈的相互作用，氧化石墨烯納米片促進(jìn)了水化過程或羧基與水化產(chǎn)物之間形成了強(qiáng)大的界面力。我們可以得出結(jié)論，氧化石墨烯納米片的加入提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，且混凝土的坍落度隨氧化石墨烯納米片含量的增加而降低。結(jié)果還表明，水泥摻量為0.03%是提高混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的最佳摻量。

不同于直接摻入于混凝土中，氧化石墨烯與膠凝材料混合貼裝在混凝土表面可有效地影響混凝土的最佳疲勞壽命，因?yàn)椴捎媒砻尜N裝纖維增強(qiáng)聚合物技術(shù)加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的效率取決于近表面貼裝纖維增強(qiáng)聚合物與混凝土基體之間的粘結(jié)。Nihad Tareq Khshain Al-Saadi，Alyaa Mohammed和Riadh Al-Mahaidi［3］在2016 年的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中，使用外加氧化石墨烯聚合物材料進(jìn)行混凝土試塊測(cè)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)添加了氧化石墨烯試塊的一組擁有良好的疲勞壽命。實(shí)驗(yàn)材料為在實(shí)驗(yàn)室里配制的混凝土。混合比例質(zhì)量為：1：2.2：4.1 水泥、砂漿、碎石。水/水泥比率為0.6。破石，最大尺寸為14mm，用作粗骨料。實(shí)驗(yàn)過程，將配置好的75mm×75mm×250mm混凝土試件，從居中位置預(yù)留出5mm×30mm×180mm的凹槽，凹槽兩部設(shè)置鋁板防止凹槽內(nèi)部的液體流出。當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)完成，在凹槽內(nèi)加入預(yù)制的氧化石墨烯和膠凝材料的結(jié)合形成的近表面貼裝纖維形成的聚合物，在21℃的室溫下養(yǎng)護(hù)28d，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本研究共測(cè)試了61 個(gè)混凝土棱柱，15 個(gè)試件（對(duì)照試件中有5 組空白試件和十組普通聚合物聚合物水泥基膠粘劑）在單調(diào)加載下張拉直至破壞，46 個(gè)試件根據(jù)加載比和應(yīng)力比在不同加載范圍（最小和最大疲勞載荷）下進(jìn)行試驗(yàn)。荷載比為最大循環(huán)疲勞荷載與極限靜荷載之比。應(yīng)力比是最小循環(huán)疲勞載荷與最大循環(huán)疲勞載荷之比。本研究疲勞試驗(yàn)采用應(yīng)力比0.1，載荷比0.60、0.675、0.75、0.825、0.9。結(jié)果顯示對(duì)于相同的碳纖維布帶表面（光滑和/或粗糙）1.420 mm聚合物條顯出更好的性能，因?yàn)槠湓黾恿藢?duì)周圍混凝土的約束力對(duì)于同一組實(shí)驗(yàn)中，添加聚合物的實(shí)驗(yàn)抗疲勞測(cè)試能力更強(qiáng)，所以它的機(jī)械咬合力和高粘度能力高于普通聚合物水泥基膠粘劑。疲勞及疲勞后的試件檢查中發(fā)現(xiàn)使用氧化石墨烯和膠凝材料的結(jié)合聚合物的混凝土試件表面橫向均勻分布，空隙均勻，其高流動(dòng)性，自密實(shí)性可延長(zhǎng)混凝土的壽命。相比之下，聚合物水泥基膠粘劑覆蓋了部分碳纖維增強(qiáng)塑料，表面具有不均勻?qū)友卣辰Y(jié)方向分布，其中有許多空隙和裂紋，而后我們發(fā)現(xiàn)粘接層無(wú)法的壓實(shí)是由低流動(dòng)性引起，可判斷聚合物水泥基膠粘劑的混凝土壽命較短。使用低疲勞測(cè)試力度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試試件可以發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯和膠凝材料的結(jié)合聚合物的混凝土試件僅在初始疲勞循環(huán)時(shí)，鍵合有輕微的退化。在高疲勞測(cè)試下，氧化石墨烯和膠凝材料的結(jié)合聚合物的混凝土試件擁有更大的疲勞承載范圍。研究使用新型高強(qiáng)度自密實(shí)膠凝劑在單搭接剪切試驗(yàn)條件下，將近表面貼裝碳纖維增強(qiáng)聚合物帶粘貼到混凝土襯底形成試驗(yàn)材料，將氧化石墨烯和膠凝材料合成了單一材料。試驗(yàn)變量為：碳纖維布帶尺寸（1.410mm、1.420mm）和碳纖維布帶表面狀況（光滑、粗糙）。對(duì)61 個(gè)試件進(jìn)行了不同疲勞載荷范圍下的疲勞試驗(yàn)，得出了載荷范圍與疲勞壽命的關(guān)系。最后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了疲勞壽命預(yù)測(cè)方程。結(jié)果表明，在不同的疲勞載荷水平下，尺寸為1.420mm 的粗糙表面碳纖維布具有最佳的疲勞壽命。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了新型高強(qiáng)度自密實(shí)膠凝劑將近表面貼裝碳纖維布條粘結(jié)在混凝土基體上的有效性。此外，該方程能較好地預(yù)測(cè)疲勞壽命，可用于鋼筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

2 結(jié)論

上述各類實(shí)驗(yàn)表明，氧化石墨烯無(wú)論何種方式的摻入都對(duì)混凝土性能有所增強(qiáng)，在未來(lái)工程，氧化石墨烯納米片的摻入可使用在超高層建筑的澆筑上，使得超高層建筑能在抵抗自身荷載的情況下，對(duì)風(fēng)壓還能有較好的抗彎能力。石墨烯磺酸鹽納米片研制表明，將來(lái)我們?cè)谌粘９こ讨袑?duì)鋼筋的防水保護(hù)甚至水下建筑、道橋、樁基都將有新的大規(guī)模突破。在氧化石墨烯用作涂抹類材料時(shí)，由于防水性的提高，我們將可以用其代替原來(lái)的防水涂抹類材料對(duì)建筑進(jìn)行保護(hù)，最后，在氧化石墨烯作為聚合物分布在混凝土材料中時(shí)，其可有效增強(qiáng)混凝土的疲勞壽命，使得在道路中可以發(fā)揮巨大作用。所以，對(duì)于氧化石墨烯這種材料的有效應(yīng)用將改善混凝土材料部分的不足，在今后的道橋建設(shè)中可能得到廣泛應(yīng)用。