哈尔滨工业大学张英姿副教授团队：气候变化条件下石墨烯纳米板对混凝土碳化深度的影响 | MDPI Applied Sciences

原文作者简介

张英姿 副教授
哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学张英姿老师团队，主要研究方向包括钢筋混凝土材料、构件及结构耐久性、抗震性能研究。

引言

如今的气候变化在过去几十年甚至几千年时间里都是前所未有的，这对混凝土结构的机械性能产生了不利影响，许多研究人员已经开始研究新的混凝土材料。石墨烯纳米板 (GNP) 是一种具有吸引力的纳米材料，可以改变混凝土的晶体结构，提高耐久性。本文主要研究GNP (0.05%wt) 在模拟变化的气候条件 (改变温度、相对湿度和二氧化碳浓度) 下对混凝土碳化深度的影响，并与普通混凝土进行比较。当二氧化碳的浓度变化时，石墨烯混凝土的碳化深度比普通混凝土低10%-20%。当温度低于33℃时，石墨烯混凝土的碳化深度小于对照样品的碳化深度；然而，当温度在33℃以上时，GNP的导热性提高了石墨烯混凝土的碳化反应速率。当湿度为变量时，石墨烯混凝土的碳化深度小于普通混凝土的15%-30%；而当湿度高于78%时，普通混凝土与石墨烯混凝土的碳化深度差异逐渐减小。总体结果表明，在变化的气候条件下，GNP具有良好的抗碳化性能。

实验安排

实验材料

本实验使用42.5级的普通波特兰水泥来制作砂浆混合物，其主要化学特性见表1。根据研究小组的初步试验结果，当石墨烯含量占水泥质量的0.05%时，石墨烯混凝土具有较高的抗压强度和耐久性。因此，本试验将GC0.05作为石墨烯混凝土的研究用量。石墨烯混凝土的混合料如表2所示。

表1. 水泥的主要化学特性。

表2. 石墨烯混凝土混合比例设计。

实验方法

在经过28天的固化期后，取出试样。采用三个石墨烯混凝土 (GC0.05) 样品和三个相应的样品 (GC0) 测量28天抗压强度。

(1) 二氧化碳浓度变量

混凝土碳化是一个化学过程，大气中的二氧化碳与Ca(OH)₂反应形成CaCO₃。通过测量GC0和GC0.05在7、14、21、28、35和42天的碳化深度，推测二氧化碳浓度变化对混凝土碳化深度的影响。

(2) 温度变量

碳化反应是一个放热反应，温度的增加将加速二氧化碳的扩散速度，并提高离子之间的运动速度。通过测量GC0和GC0.05在7、14、21、28和35天的碳化深度，研究了温度变化对混凝土碳化深度的影响。

(3) 湿度变量

环境的相对湿度对混凝土的碳化反应非常重要，因为它将影响混凝土孔隙水的含量。通过测量GC0和GC0.05在7、14、21、28和35天的碳化深度，研究了湿度变化对混凝土碳化深度的影响。

(4) 电子显微镜扫描

为了解石墨烯在不同模拟环境下对混凝土微观性能的影响，采用了尺寸为4×4×4毫米的试样进行微观结构形态测试，这些试样是由普通混凝土样品获得的。

(5) 碳化深度测量

在进行了规定天数的碳化试验后，将样品从碳化室中取出。取三个样品为一组，每组的平均碳化深度为三个试样测试结果的算术平均值作为测量值。

实验结果与讨论

二氧化碳浓度变量

在实验中，GC0和GC0.05的28天抗压强度分别为31.2和37.6MPa。GC0和GC0.05被置于不断变化的二氧化碳浓度情况下 (浓度范围为6%-10%)，而相对湿度和温度分别为65%和25℃。参考样品的微观结构显示如图2所示。

(a)

(b)

(c)

图2. 不同CO₂浓度下普通混凝土的SEM图像，(a) 无腐蚀；(b) 8%的CO₂浓度；(c) 10%的CO₂浓度。

根据现有文献，石墨烯可以填充在水泥基产品的空隙中，因此可以提高水泥的水化速度和程度，也可以改变水化产物的大小和形状。然而，考虑到石墨烯不参与水泥的水化反应，所以水泥产品的类型不会发生变化 (图3)。

(a)

(b)

(c)

图3. 不同CO₂浓度下石墨烯混凝土的SEM图像，(a) 无腐蚀；(b) 8%的CO₂浓度；(c) 10%的CO₂浓度。

混凝土的碳化深度和二氧化碳浓度之间的关系如图4所示。

图4. 混凝土碳化深度、时间和二氧化碳浓度之间的关系。

温度变量

两组混凝土试样被置于变化的温度环境中，温度范围为25-45℃，而二氧化碳浓度和相对湿度分别为6%和65%。GC0和GC0.05的28天抗压强度分别为32.5和38.3MPa。普通混凝土的微观结构如图5所示。

(a)

(b)

(c)

图5. 不同温度下普通混凝土的SEM图像，(a) 29°C；(b) 37°C；(c) 45 °C。

如图6a所示，当温度达到29℃时 (碳化时间为7天)，可以看到棒状的C-S-H凝胶和CH晶体相互连接，并形成少量球形的CaCO₃晶体。

(a)

(b)

(c)

图6. 石墨烯混凝土在不同温度下的SEM图像，(a) 29°C；(b) 37°C；(c) 45 °C。

图7显示了GC0和GC0.05的碳化深度与温度的关系。

图7. 混凝土碳化深度、时间和温度之间的关系。

湿度变量

两组混凝土试样被置于相对湿度不断变化的环境中，湿度范围为50%-85%，而二氧化碳浓度和温度分别为6%和25℃。GC0和GC0.05的28天抗压强度分别为33.2和39.1MPa。图8和图9显示了不同湿度下混凝土的SEM图像。

(a)

(b)

(c)

图8. 不同腐蚀湿度下普通混凝土的SEM图像。(a) 无腐蚀；(b) 湿度71% (时间21天)；(c) 湿度85% (时间35天)。

(a)

(b)

(c)

图9. 石墨烯混凝土在不同腐蚀湿度下的SEM图像。(a) 无腐蚀；(b) 湿度71% (时间21天)；(c) 湿度85% (时间35天)。

图10显示了GC0和GC0.05的碳化深度与不同湿度之间的关系。

图10. 混凝土碳化深度、时间和湿度之间的关系。

研究结论

本文研究了石墨烯对模拟变化气候条件下混凝土碳化深度的影响，进行了一系列实验性探索。石墨烯混凝土采用最佳用量0.05%wt。本项研究工作准备了GC0和GC0.05试样进行加速碳化实验。主要结论如下：

(1) 当二氧化碳的浓度从6%变为10%时 (温度为25℃，湿度为65%)，揭示了不同腐蚀程度的混凝土碳化深度和微观结构的变化。研究结果表明，石墨烯的加入可以延迟混凝土的碳化反应。

(2) 当温度从25℃变为45℃时 (湿度为65%，CO₂浓度为6%)，试验结果表明，在不同的温度范围内，GNP对混凝土具有不同的影响。在25-33℃，GNP的加入提高了混凝土的抗碳化能力；然而，在33℃以上，GNP混凝土并不能延缓混凝土的碳化。这意味着石墨烯混凝土可能增加高温地区混凝土的碳化率。此外，在未来的工作中，还可以研究不同等级石墨烯混凝土与温度及其他参数之间的关系。

(3) 当湿度从50%变为85%时 (温度为25℃，CO₂浓度为6%)，石墨烯混凝土的碳化深度比普通混凝土低15%。

(4) 在模拟气候变化的条件下，混凝土碳化的影响因素依次为CO₂浓度、湿度和温度。

本文仅讨论了气候变化条件下石墨烯对混凝土碳化深度的影响，但在实际应用中，混凝土是在冻融循环与碳化、酸雨、碳化等因素综合作用下进行的，需要进一步研究。

阅读英文原文

Zhang, Y.; Wang, Y.; Yang, M.; Wang, H.; Chen, G.; Zheng, S. Effect of Graphene Nanoplatelet on the Carbonation Depth of Concrete under Changing Climate Conditions. Appl. Sci. 2021, 11, 9265.