氧化石墨烯對橋墩混凝土力學及耐久性能的影響研究

摘要：為了改善惡劣服役環境下橋墩用混凝土的使用性能，采用納米材料氧化石墨烯對混凝土進行改性，基于一系列室內試驗，針對不同氧化石墨烯用量的混凝土進行力學及耐久性能分析。結果表明：隨著氧化石墨烯用量的增加，橋墩混凝土的抗壓和抗折強度呈逐漸增大變化，彈性模量呈先增大后減小變化，而電通量、氯離子擴散系數、抗壓強度損失率及質量損失率則均隨之呈先降后升變化；摻入適宜氧化石墨烯能夠有效改善混凝土的力學及耐久性能，但若過量則會對其性能產生一定削弱，推薦氧化石墨烯用量為0.12%，有利于提升復雜環境下橋墩混凝土的服役性能。

關鍵詞：橋梁工程；氧化石墨烯；混凝土；力學性能；耐久性能

中圖分類號：TQ172.71文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0091-04

Study on the influence of graphene oxide on the mechanical and durability properties of bridge pier concrete

WANG Yi

（Yuzhou Highway Maintenance Engineering Co.，Ltd.，Xuchang 461670，Henan China）

Abstract：In order to improve the performance of concrete used for bridge piers in harsh service environments，na?no material graphene oxide was used to modify the concrete.Based on a series of indoor tests，mechanical and dura?bility performance analysis was conducted on concrete with different amounts of graphene oxide.The results showed that with the increase of graphene oxide dosage，the compressive and flexural strength of bridge pier concrete gradu?ally increased，while the elastic modulus first increased and then decreased.Meanwhile，the electrical flux，chloride ion diffusion coefficient，compressive strength loss rate，and mass loss rate all showed a decrease followed by an in?crease;The addition of suitable graphene oxide can effectively improve the mechanical and durability properties of concrete，but excessive amounts can weaken its performance.It is recommended to use 0.12%graphene oxide to im?prove the service performance of bridge pier concrete in complex environments.

Key words：bridge engineering；graphene oxide；concrete；mechanical properties；durability

自21世紀以來，我國橋梁交通基礎設施建設呈飛速發展，混凝土材料因具備成本低廉、施工簡捷、整體性能優良等特點，故在各類橋梁工程建設中得到大規模應用[1-2]。但據近年有關實際應用表明，普通混凝土材料已開始無法滿足當下橋梁建設領域的發展需求，尤其在寒冷、鹽蝕等惡劣環境長期服役下，普通混凝土材料容易曝露脆性高、強度偏低、耐久性差等缺陷，因此如何促使混凝土材料向高性能化發展成為現階段的熱點課題[3-5]。為了改善惡劣服役環境下橋梁混凝土的工程性能，近年來國內學者對此開展了不少研究，如馮博等[6]探討了凍融循環與氯鹽侵蝕共同耦合下橋梁高性能混凝土的耐久性能，并根據相關試驗結果建立其質量預測衰減模型；蘇開春等[7]考察了高硫酸鹽侵蝕服役環境下消泡劑、密實劑及抗硫酸鹽侵蝕抑制劑對C45橋梁樁基混凝土性能的影響規律；張茂花等[8]研究了冰凍與硝酸鹽共同侵蝕作用下不同納米Al2O3對混凝土耐久性能的影響；徐存東等[9]探究了不同摻量聚丙烯纖維對混凝土抗鹽凍侵蝕性能的影響規律，并基于Weibull理論和灰色預測理論對鹽凍侵蝕環境下的纖維混凝土服役壽命進行預測。由于橋墩用混凝土的工作環境特殊，致使其使用性能退化顯著，從而會給橋梁結構的安全及壽命帶來嚴重影響[10-12]。本文通過采用納米材料氧化石墨烯對橋梁混凝土進行改性，系統考察了不同氧化石墨烯用量對混凝土力學強度、抗凍性能、抗氯鹽及硫酸鹽侵蝕性能的影響規律。

1試驗部分

1.1原材料

（1）水泥：P× O42.5級普通硅酸鹽水泥（廣西某水泥股份有限公司）。

（2）骨料：粗骨料選用粒徑為5～20 mm連續級配碎石，表觀密度為2.71 g/cm3，針片狀顆粒含量為8.2%，含泥量為0.5%，壓碎值為12.6%；細骨料選用粒徑為0.15～5 mm的機制砂。

（3）礦物摻合料：硅灰和Ⅱ級粉煤灰（廣西某建材有限公司），其主要化學成分如表1所示。

（4）氧化石墨烯：多層氧化石墨烯分散液（濃度為10 mg/ml，江蘇某納米材料科技公司）。

（5）減水劑：HPWR型高性能減水劑，減水率為33.2%。（6）水：市政自來水。

1.2配合比

按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行混凝土的配合比設計，混凝土的設計標號為C40，水灰比為0.5，氧化石墨烯的用量（占水泥質量）分別為0、0.04%、0.08%、0.12%、0.16%，所用混凝土的配合比設計如表2所示。

1.3試驗方案及方法

以GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》、GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》等規范為依據，分別采用抗壓強度、抗折強度、彈性模量、抗氯離子滲透、硫酸鹽干濕循環侵蝕、凍融循環等試驗對不同用量氧化石墨烯混凝土的綜合性能進行系統評價。

2結果與討論

2.1抗壓強度

通過采用電液伺服萬能實驗機對氧化石墨烯混凝土進行抗壓強度測試[13-14]，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。氧化石墨烯混凝土的3、7、28 d抗壓強度試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，隨著養護齡期的增加，不同氧化石墨烯混凝土的抗壓強度逐漸增大，在齡期為3、7、28 d時，氧化石墨烯混凝土的抗壓強度較于基準混凝土分別增大了20.3%～32.7%、13.7%～27.3%、5.5%～13.9%，即說明石墨烯對混凝土早期抗壓強度的增效更明顯；在相同齡期下，混凝土的抗壓強度隨著氧化石墨烯用量的增加呈逐漸增大變化，其中在氧化石墨烯用量為0～0.12%范圍時，混凝土的抗壓強度增幅較為顯著，而當氧化石墨烯用量繼續增大后，混凝土的抗壓強度增幅則比較平緩，氧化石墨烯的摻入能夠有效提升橋墩混凝土的抗壓能力，原因是氧化石墨烯具有良好分散與填充作用，一方面能夠促使水泥水化產物生成、分布更加規則，另一方面可減少結構孔縫，從而提高混凝土的致密性及抗壓性能。

2.2抗折強度

不同氧化石墨烯混凝土的抗折強度試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，不同氧化石墨烯混凝土的抗折強度隨著養護齡期的增加逐漸增大，與基準混凝土相比，氧化石墨烯混凝土的3、7、28 d抗折強度分別增大了5.9%～12.6%、3.9%～9.6%、3.5%～8.0%，即表明氧化石墨烯混凝土的抗折強度增幅隨齡期增大逐漸變緩；隨著氧化石墨烯用量的增加，混凝土各齡期抗折強度均呈逐漸增大變化，但當其用量達到一定值后混凝土的抗折強度增幅趨向平緩，說明摻入氧化石墨烯有利于改善混凝土的抗折斷能力，原因是氧化石墨烯不僅能夠增強水泥漿體的力學強度，還能有效分散荷載應力，故混凝土的抗折強度提升。

2.3彈性模量

采用動彈性模量測定儀對氧化石墨烯混凝土的彈性模量進行測試[15-16]，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。不同氧化石墨烯混凝土的彈性模量試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，氧化石墨烯混凝土的彈性模量隨著養護齡期的增加呈逐漸增大變化；隨著氧化石墨烯用量的增加，混凝土的彈性模量呈先增大后減小變化，其中當氧化石墨烯用量由0%增至0.12%時，混凝土的3、7、28 d彈性模量分別增大了44.1%、26.9%、11.5%，而當氧化石墨烯用量繼續增至0.16%后，混凝土各齡期彈性模量均有所減小，分析原因是氧化石墨烯過量發生團聚、堆疊等現象，使得水泥水化晶體與骨料之間產生軟弱界面，從而增大了混凝土結構內部的孔隙率，故彈性模量呈現一定下降趨勢。

2.4抗氯離子滲透性能

不同氧化石墨烯混凝土的抗氯離子滲透性能試驗結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著氧化石墨烯用量的增加，混凝土的6 h電通量與氯離子擴散系數均呈先減小后增大變化，其中當氧化石墨烯用量由0%增至0.12%時，混凝土的電通量與氯離子擴散系數分別減小了11.4%、15.8%，而當氧化石墨烯用量繼續增至0.16%后，混凝土的電通量與氯離子擴散系數分別增大了0.9%、2.2%，說明適量的氧化石墨烯能夠有效提升混凝土的抗氯離子滲透性能，但其用量過多則有一定削減，原因是氧化石墨烯較多呈不均勻分散而引發團聚、堆疊等現象，一定程度降低了混凝土結構的流動性、密實性及強度特性，故混凝土的抗氯離子滲透性能有所削弱。

2.5抗硫酸鹽侵蝕性能

通過采用硫酸鹽干濕循環侵蝕試驗對氧化石墨烯混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能進行測試[17-18]，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。不同氧化石墨烯混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性試驗結果如圖5所示。

由圖5可知，隨著干濕循環次數的增加，氧化石墨烯混凝土的抗壓強度損失率變化規律呈先下降后上升，在干濕循環初期，混凝土受硫酸鹽侵蝕會產生少量的鈣礬石和二次石膏等晶體，其能夠起到一定填充與搭接孔隙作用，從而降低了混凝土的抗壓強度損失率，即抗壓強度增大，但在干濕循環后期，混凝土鹽蝕加劇使得晶體發生膨脹，促使混凝土抗壓強度損失率增大，故抗壓強度減小；在相同干濕循環下，混凝土的抗壓強度損失率隨著氧化石墨烯用量的增大呈先減小后增大變化，說明摻入適宜氧化石墨烯有利于提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，原因是氧化石墨烯的比表面巨大且強度極高，可有效提高混凝土結構內的荷載傳遞效率，同時還能起到骨架支撐的作用，限制鹽蝕孔縫的產生及發展，故有利于減少混凝土的抗壓強度損失率。

2.6抗凍性能

不同氧化石墨烯混凝土的抗凍性能采用快速凍融試驗機進行測試，凍融循環試驗結果如圖6所示。

由圖6可知，隨著凍融循環次數的增加，不同氧化石墨烯混凝土的質量損失率呈先下降后上升變化，其中在0～60次凍融循環時，氧化石墨烯混凝土的質量損失率呈負增長趨勢，即混凝土試件質量增加，分析認為是混凝土內部毛細孔飽水引起的增重大于自身表面砂漿剝落損失；但在60～90次凍融循環下，混凝土的質量損失率呈顯著上升，原因是混凝土表面砂漿發生嚴重的脫落、剝蝕等現象，從而致使混凝土質量減少。隨著氧化石墨烯用量的增大，混凝土的質量損失率均呈先下降后上升變化趨勢，說明適宜氧化石墨烯能夠增強混凝土的抗凍性能，原因是合理氧化石墨烯能夠有效改善混凝土的微觀結構，抑制孔縫的產生及發展，但若用量過大則會引發團聚、堆疊等現象，從而一定程度削弱混凝土的致密性及穩定性，致使混凝土的抗凍性能降低。

3結語

（1）隨著氧化石墨烯用量的增加，混凝土的抗壓強度、抗折強度均呈逐漸增大變化，而彈性模量則呈先增大后減小變化；

（2）橋墩用混凝土的電通量、氯離子擴散系數、抗壓強度損失率及質量損失率均隨著氧化石墨烯用量的增加均呈先降后升變化趨勢；

（3）摻入適宜氧化石墨烯能夠有效改善混凝土的力學、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕及抗凍等性能，但若過量則會對其性能產生一定削弱，推薦氧化石墨烯用量為0.12%，有利于提升惡劣服役環境下橋墩混凝土的力學強度及耐久性能。

【參考文獻】

[1]趙小浪，鄭秀華，鐘威，等.裝配式橋梁輕骨料混凝土的強度及抗凍性研究[J].公路，2024，69（5）：382-387.

[2]王森，王蒼麗.粉煤灰摻量對引氣混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響[J].化學與粘合，2023，45（5）：469-472.

[3]汪偉，賴增成，譚鵬，等.機制砂與特細砂抗氯鹽侵蝕混凝土的制備及性能研究[J].硅酸鹽通報，2024，43（6）：2121-2129.

[4]李強，陳志林，劉龍龍，等.炎熱海洋環境下混凝土橋梁抗氯離子侵蝕耐久性研究[J].公路交通科技，2023，40（5）：72-77.

[5]藺鵬臻，王雲一.混凝土橋梁受鹽堿地中氯離子侵蝕的耐久性研究[J].橋梁建設，2022，52（6）：73-78.

[6]馮博，劉青，錢永久.高性能混凝土在氯鹽侵蝕和凍融循環作用下的耐久性分析[J].西南交通大學學報，2023，58（5）：1083-1089.

[7]蘇開春，張杰，許圣祥，等.抗硫酸鹽侵蝕樁基混凝土制備及耐蝕性能研究[J].西部交通科技，2024（4）：22-25.

[8]張茂花，韓玥，田澤農，等.凍融循環作用下納米混凝土的抗硝酸鹽侵蝕性能[J].混凝土，2022（9）：29-33.

[9]徐存東，汪志航，陳家豪，等.鹽-凍侵蝕環境下聚丙烯纖維混凝土的壽命預測[J].硅酸鹽通報，2024，43（6）：2111-2120.

[10]楊江朋.摻加碳納米纖維提高橋梁混凝土抗凍防腐性能的研究[J].合成材料老化與應用，2021，50（4）：108-110.

[11]包龍生，趙家康，張攀，等.裝配式混凝土橋墩節點的抗凍性能研究[J].廣西大學學報（自然科學版），2022，47（6）：1459-1470.

[12]李忠誠.玄武巖纖維橋梁混凝土力學與耐久性能研究[J].施工技術（中英文），2024，53（21）：119-122.

[13]伍曉圓，劉艷.基于K近鄰算法的高粘結性能混凝土抗壓強度預測[J].粘接，2025，52（3）：24-27.

[14]黃文瓏.基于正交設計的花崗巖再生骨料混凝土優化配合比試驗研究[J].混凝土，2025（2）：172-175.

[15]何善能，黃湘寒.高性能引氣混凝土特性影響及力學性能評價[J].粘接，2025，52（2）：76-79.

[16]盧奇超，周博文，張繼承.凍融循環作用前后玄武巖-聚丙烯纖維增強高性能混凝土的力學性能[J].建筑科學，2025，41（1）：39-46.

[17]龐安宇，劉向坤，張偉.西北地區強腐蝕環境高耐久性纖維增強混凝土技術研究[J].混凝土與水泥制品，2024（10）：40-43.

[18]李雪峰.低溫環境下含石灰石粉水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕性能研究[J].硅酸鹽通報，2024，43（7）：2372-2382.

（責任編輯：張玉平）