氧化石墨烯混凝土研究綜述及展望

林澤樺　王兵　閔金偉

摘 要：氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）混凝土作為一種新型材料，具有良好的力學性能和耐久性。因此，綜述GO的特性、制備技術及其對混凝土工作性能、力學性能及耐久性的影響。結果表明，目前對于GO混凝土的研究仍處于初步探索階段，由于其自身優異的性能，未來將成為工程領域研究的熱點。

關鍵詞：氧化石墨烯（GO）;GO混凝土;工作性能;力學性能;耐久性

中圖分類號：TU528文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）11-0120-03

Review and Prospect of Graphene Oxide Concrete

LIN Zehua WANG Bing MIN Jinwei

（School of Civil and Surveying Engineering， Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou Jiangxi 341000）

Abstract： As a new material， graphene oxide concrete has good mechanical properties and durability. This paper summarizes the characteristics and preparation technology of graphene oxide， and the influence of graphene oxide on the workability， mechanical properties and durability of concrete. The results show that the research of graphene oxide concrete is still in the initial stage of exploration. Due to its excellent performance， it will become a research hotspot in the engineering field in the future.

Keywords： Graphene Oxide（GO）;Graphene Oxide concrete;working performance;mechanical property;durability;review and prospect

自問世以來，混凝土一直是工程領域的重要建筑材料。由于其具有材料來源廣泛、價格低以及可塑性好等優勢，因此被廣泛應用于橋梁、道路、房建以及大壩等重要領域。近年來，隨著國家的快速發展，我國越來越向大跨度、超高層、跨海和大型重力壩等特大工程項目發展。傳統混凝土在實際工程中暴露出抗拉強度低、耐久性不足、早期易開裂以及混凝土服役年限遠遠低于其設計使用年限等問題。

為了改善傳統混凝土技術存在的耐久性不足、抗拉強度低等問題，一些學者[1-2]對混凝土進行了研究。例如，有人將纖維加入混凝土中制備出了纖維混凝土，能改善混凝土抗拉強度、韌性，抑制早期裂紋和有效阻止混凝土大裂紋的形成。但是，纖維的加入并沒有從根本上改變混凝土自身的結構和韌性，只是纖維自身特性改變了混凝土整體結構的強度和韌性。

近年來，氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）混凝土引起了人們的關注，國內外一些學者對GO混凝土展開了一系列研究。薛立強研究發現，將GO以外加劑的形式加入混凝土，能明顯改善混凝土的力學性能和抗氯離子性能[3]。饒春華在水泥砂漿和混凝土中加入GO，結果顯示，GO能改善水泥砂漿和混凝土的抗壓強度和耐久性等各項力學性能[4]。LI等通過在水泥漿體中加入GO，證明相較于普通混凝土，GO混凝土的電阻系數和抗壓強度都有明顯改善[5]。

1 氧化石墨烯

氧化石墨烯（GO）是石墨烯的一種衍生物，是石墨烯氧化過程的中間產物。GO表面存在大量含氧官能團，如圖1和圖2所示，因此其性質比石墨烯更活潑，經氧化后仍保持了石墨的單層片狀結構。親水性分子和聚合物通過與GO表面含氧官能團反應形成離子鍵，共價鍵氫鍵等插入GO層間形成化合物，所以GO具有很好的親水性。

2 氧化石墨烯對混凝土工作性能的影響

邱文俊等研究了不同摻量的GO對超高性能混凝土流動度的影響[6]。結果表明，隨著GO摻量百分比的提高，超高性能混凝土流動度逐漸降低。這是因為GO具有超小的尺寸和粒徑，在膠凝材料中具有的小尺寸效應和GO自身較大的比表面積，使得超高性能混凝土的流動度降低[7]。呂生華等通過研究GO對摻有聚羧酸系減水劑的水泥凈漿流動度、黏度和凝結時間的影響時發現，與未摻有GO的水泥凈漿相比，GO能夠明顯增加水泥凈漿的黏度，降低水泥凈漿的凝結時間[8]。究其原因，可能是GO表面含有的大量含氧官能團與水反應，減少了水泥凈漿中自由水的含量、GO的小尺寸效應和較大的比表面積。劉洋等在GO等納米材料對水泥基復合材料性能改善研究綜述中提到，GO有很好的親水性，GO片層有較大的比表面積吸附水分子[9]。由于缺乏游離的水，膠凝顆粒和材料之間缺乏潤滑，增大了摩擦力，導致混凝土流動性降低，減小了坍落度，降低了工作性能，且隨著GO摻量的增加，混凝土的工作性能越來越差。徐朋輝等研究發現，GO能明顯促進粉煤灰水泥水化速率，使水化提前，并隨著GO摻量的提高，現場愈加顯著[10]。

3 氧化石墨烯對混凝土力學性能的影響

李梅萍提出石墨烯自身特有的材料性能與再生混凝土結合，解決了再生骨料大量的微裂紋和再生混凝土強度低等問題，促進了建筑垃圾-再生骨料的循環利用，符合綠色發展的生產理念[11]。研究表明，混凝土中摻入石墨烯可以大大降低混凝土生產過程中的CO2排放量。楊文玲等研究GO在摻量為0.08%的情況下，礦渣水泥28 d的抗壓強度提高了10%，混凝土28 d的抗壓強度提高了5.8%，且顯著提高了混凝土的流動性、抗OH-的侵蝕系數和抗SO42-的侵蝕系數[12]。薛立強研究在隧道襯砌材料中以外加劑的形式添加不同摻量（0%、0.01%、0.02%、0.03%）的GO，并進行了各項力學性能測試[3]。結果表明，當GO的摻量為0.03%時，混凝土的各項力學性能提高最為明顯。GO混凝土在標準養護28 d時，抗壓強度為55.93 MPa，與普通混凝土相比提高了30.77%;抗折強度為10.90 MPa，與普通混凝土相比抗折強度提高了21.92%。郭凱等通過對納米壓痕測試GO在再生混凝土界面過渡的微觀力學性能，發現GO能使再生混凝土新砂漿和骨料界面過渡區的寬度減少25%，使GO混凝土新舊砂漿界面過渡區寬度減少37.5%[13]。由于GO的加入，兩種再生混凝土界面過渡區的彈性模量均有一定的提高，且對于GO新舊砂漿界面過渡區的彈性模量提高尤為明顯。GO能明顯改善混凝土界面過渡區的微觀力學性能和微觀結構。李加鵬等研究了5種不同GO摻量的GO混凝土，結果表明在單軸受壓情況下，與不摻GO混凝土相比，抗壓強度最大值可提高35%[14]。

4 氧化石墨烯對混凝土耐久性能的影響

薛立強利用氯離子擴散系數儀測定GO對水泥基復合材料抗氯離子侵蝕性能的影響，結果表明，與未摻加GO的水泥基復合材料相比，GO水泥基復合材料隨著GO含量的提高，氯離子侵蝕深度逐漸降低且分布均勻，說明GO對水泥基復合材料抗氯離子侵蝕性能有明顯的提高作用[3]。呂生華等通過調控水灰比研究不同摻量的GO（0.03%和0.05%）對超高性能水泥基復合材料的抗滲性、抗凍性和抗碳化性能的影響，結果表明，摻有氧化石墨烯的超高性能水泥基復合材料的抗滲性明顯提高，說明氧化石墨烯對水泥基復合材料的致密性有明顯的改善作用[15]。經過100次凍融循環，結果摻有GO的水泥基復合材料的質量和動態模量基本沒有損失。摻有GO的水泥基復合材料的碳化深度明顯小于未摻加GO的水泥基復合材料，說明摻有GO的水泥基復合材料的密實度好，能有效阻止CO2氣體的滲入。

5 結論與展望

目前，GO混凝土仍處于初步發展階段，國內對GO混凝土在工程上的應用仍然較少，但GO混凝土自身優異的性能得到了廣泛關注，在未來的工程應用中將會成為熱點問題。

①加入GO對混凝土的各項力學性能都有明顯的改善作用，特別是對再生混凝土，很好地解決了再生混凝土強度低、達不到性能要求的問題，因為GO的加入，使得片成狀生長更有序，結構更為致密。

②試驗表明，GO水泥基復合材料的耐久性更好，很好地解決了混凝土早期易開裂損壞和混凝土結構易疲勞開裂的兩大難題。

③隨著GO的摻入，新拌混凝土的工作性能變差，且GO的摻量越大工作性能越差，因此如何有效改善這一問題是需要繼續研究的一個重要課題。

參考文獻：

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[13]郭凱，馬浩輝，王強.氧化石墨烯對再生混凝土界面過渡區的影響[J].建筑科學與工程學報，2018（5）：217-224.

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