基于氧化石墨烯材料的結構力學性能研究

周集權，馬軍營

（1華北水利水電大學地球科學與工程學院 河南 鄭州 450000）

（2華北水利水電大學土木與交通學院 河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著我國道路工程技術的快速發展，全國公路交通總里程也一直呈增長態勢，截至2021年底，我國公路總里程已超出520萬公里。在公路建設的材料中，水泥砼仍具有較大的優勢，如安全性高、成本低等方面[1]。由于本身的材料特性不易改變，因此在其中摻入一定量的填料，使其具有更加優良的性能，從而實現路面材料性能全面提升。

近年來，氧化石墨烯在我國得到了充分的發展，在許多領域發揮著重要作用，如醫療、教育、軍事等。氧化石墨烯的制備通常采用石墨粉和強氧化劑在酸性環境下化學合成，由于氧化石墨烯比石墨烯具有更好的操作性，使其應用范圍更加廣泛。在路面工程中，氧化石墨烯的研究也引起了各國學者的廣泛關注。向路面復合材料中加入氧化石墨烯，將會給工程建設帶來顯著的應用前景，資源匱乏的問題能夠得到緩解，環境污染問題也會減少，其發展前景十分廣闊[2]。近年來，對路面材料采用氧化石墨烯材料的研究已成為最為普遍的技術。通過研究氧化石墨烯摻量對其路面的晶體結構、微觀形貌和抗凍性能的影響，表明適量的氧化石墨烯加速改性路面材料結構的水化反應，細化了孔結構，提高了密實度[3-6]。本文主要研究摻加不同劑量的氧化石墨烯在不同養護齡期時的路面抗壓強度。

1 原材料檢測與試驗準備

1.1 水泥

水泥的品種和用量對路面復合材料的強度起著重要作用，其性能需滿足現行的國家標準[7]的要求。本文采用的為普通硅酸鹽水泥，標號為P.O 42.5，可用于公路面層設計。水泥物理性能指標測定結果如表1所示，本文選取的水泥各項性能指標均達到了規范的技術要求。

表1 水泥性能測試結果

1.2 集料

在路面性能研究中，粗、細集料在其中起到重要作用。不同的公路等級在不同氣候和不同車輛荷載等條件影響下，對集料的強度、抗變形等力學性質有很重要的作用。為方便試驗研究使用將混合料所用集料用水洗去除表面雜質后烘干備用。

（1）粗集料

粗集料表面粗糙程度的大小會影響其與水泥砂漿之間的黏結力，當粗集料的表面較為粗糙時，它與膠凝材料之間的作用較好，水泥砂漿與粗集料的膠結力較大。所以粗集料要選擇強度高、干凈的材料，試驗參照規程[8]進行。本實驗選用的粗集料是5～10 mm和10～15 mm兩檔，其技術指標規定如下表2所示。試驗結果均符合規范的要求。

表2 粗集料性能測試結果

（2）細集料

細集料要堅硬、潔凈并耐久，應含有較少的有害雜質。細集料試驗根據規程進行試驗，相應技術指標如表3所示，試驗結果均滿足規范要求。

表3 細集料性能測試結果

1.3 氧化石墨烯

氧化石墨烯（GO）是石墨烯的氧化物，含氧基團的引入使其更加活潑和更易功能化應用，且其較大的比表面積能夠有效附著材料，防止團聚。本試驗采用的工業級氧化石墨烯由蘇州碳豐石墨烯科技生產，基本性能指標如表4所示，掃描電鏡形貌圖如圖1所示。

圖1 兩種倍數GO電鏡圖

表4 氧化石墨烯主要性能指標

從圖1中可以看出：氧化石墨烯的表面特征較為粗糙，而且在其表面有部分褶皺，具有很大的比表面積，在5 000倍下可看出其為片層結構，其中片層直徑在10 nm左右，厚度約1 nm左右，具備納米材料形貌特征，屬于標準的納米材料。

1.4 試件的制備

對道路結構來說，抗壓強度是一項重要的性能指標。摻入氧化石墨烯會對其抗壓強度帶來一定的影響。抗壓強度試件多采用圓柱體、棱柱體、立方體，本次試驗采用150 mm×150 mm×150 mm立方體抗壓試件，如圖2所示。試驗方法采用振動碾壓成型，進行試驗前首先檢查試驗機與抗壓夾具是否可以正常使用，然后將試塊放入夾具中并且保證試塊光滑面朝上，最后設定參數并啟動試驗機，待試件破壞后記錄數據。根據配合比，配制不同摻量（0.02%、0.04%、0.06%、0.08%）的氧化石墨烯試件拌和物，對摻入氧化石墨烯的試件進行系統的力學性能分析。

圖2 立方體試件制備過程

2 抗壓強度試驗

2.1 試驗過程

試件養護至規定齡期后，從標準養護室中取出試件并檢查試件損毀程度，剔除破壞程度較大的試件。采用華龍WAW-600微機電液伺服試驗機進行，按照規范[9]中的試驗方法對碾壓試件進行抗壓強度試驗，并計算其抗壓強度值，試驗過程如圖3所示。

圖3 抗壓強度試驗

2.2 試驗結果分析

（1）氧化石墨烯摻量對試件抗壓強度的影響

將抗壓強度試件測試結果進行整理，不同氧化石墨烯摻量下的試件在7 d、28 d的抗壓強度結果如圖4所示。

圖4 氧化石墨烯摻量與抗壓強度關系曲線

通過圖4分析可知，隨著氧化石墨烯所占比例的增加，試件的7 d、28 d無側限抗壓強度都有較大幅度的上升，氧化石墨烯摻量和抗壓強度呈非線性變化，未摻氧化石墨烯的材料7～28 d無側限抗壓強度最低，分別為36.9 MPa和43.7 MPa。隨著氧化石墨烯在試件中所占比例的增加，兩種無側限抗壓強度均出現先上升后降低的趨勢，且均在0.06%的摻量下無側限抗壓強度最高，分別為46.8 MPa和52.5 MPa，較未摻加氧化石墨烯的分別提高了20.1～26.8%，當氧化石墨烯摻量增加到0.08%時，無側限抗壓強度出現一定程度的降低，分別較0.06%摻量的試件下降了0.05%和0.04%。

（2）養護齡期對抗壓強度的影響

將抗壓強度試件測試結果進行整理，抗壓強度隨不同養護齡期（7 d、28 d、90 d）的變化規律如圖5所示。

圖5 養護齡期與抗壓強度關系曲線

由圖5分析可知，隨著養護齡期的增長，7～28 d早期增長速率較快，28～90 d的強度增長速率逐漸降低。它們的強度和養生齡期都是呈正相關，而且都呈現先快后慢的態勢。當氧化石墨烯摻量為0.02%、0.04%、0.06%、0.08%時，7 d抗壓強度分別為36.9 MPa、41.3 MPa、44.1 MPa、46.8 MPa和44.5 MPa，分別達到28 d抗壓強度的83.5%、89.4%、88.9%、89.1%和88.5%。28 d抗壓強度分別為43.7 MPa、46.2 MPa、49.6 MPa、52.5 MPa和50.3 MPa，分別達到90 d抗壓強度的95.8%、96.0%、98.2%、98.1%和98.0%。也進一步驗證了隨著氧化石墨烯的加入，影響了試件抗壓強度的增長，但需要控制氧化石墨烯的摻量[10]。

3 結論

通過制備不同摻量的氧化石墨烯改性試件，研究氧化石墨烯摻雜量和不同養護齡期對路面復合材料的力學性能影響，得出以下結論：

（1）隨著氧化石墨烯摻量的增多，改性路面的無側限抗壓強度均先升高后降低，表明加入氧化石墨烯可以提高路面的抗壓強度，且摻量為0.06%時，抗壓強度達到最大值，此時試樣的力學性能最佳，摻量再持續增加，抗壓強度將出現一定程度的下降。

（2）隨著養護齡期的增長，不同氧化石墨烯摻量的試件抗壓強度和養生齡期都是呈正相關，而且都呈現先快后慢的態勢。7～28 d早期增長速率較快，28～90 d的強度增長速率逐漸降低。摻量為0.06%時的28 d抗壓強度較7 d抗壓強度增長了12.2%，90 d抗壓強度較28 d抗壓強度增長了1.9%，增長率出現大幅度下降，表明當養護齡期為28 d時，此時的試樣的力學性能最佳。