J. Build. Eng. ：不同混合策略下还原氧化石墨烯在水泥基复合材料中分散性研究

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J. Build. Eng. ：不同混合策略下还原氧化石墨烯在水泥基复合材料中分散性研究

题目

Investigation of the dispersion of reduced graphene oxide in cementitious composites under different mixing strategies

不同混合策略下还原氧化石墨烯在水泥基复合材料中的分散性研究

关键词

还原氧化石墨烯（rGO）；分散方案；力学性能；耐久性；微观结构

来源

出版年份：2023年

来源：Journal of Building Engineering

课题组：中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院孔祥清课题组和松山湖材料实验室付莹课题组

研究背景

混凝土具有易于成型、耐火性好和抗压强度高等优点，成为世界上最流行的基础建筑材料。据统计，全球每年的混凝土消耗量高达30 GT。这不仅消耗大量原材料，而且由于水泥生产过程中释放出大量CO₂，对全球环境产生不可忽视的影响。此外，混凝土固有的准脆性和对腐蚀环境的敏感性也增加了与混凝土结构相关的生产成本。

学者们一直致力于开发高性能水泥基复合材料，以减少消耗混凝土构件。其中，在水泥基材料中添加纳米材料可有效改善水泥基材料性能。氧化石墨烯（GO）经过化学还原或热处理可得到还原氧化石墨烯（rGO）。rGO具有高比表面积、良好的导电性以及优异的力学性能等特性，适当浓度的含氧官能团可使其在水溶液中有效分散。因此，rGO是改善水泥基复合材料综合性能的理想添加剂。近年来，使用rGO改善水泥基复合材料性能已引起广泛关注。已有研究表明，极少量（约占水泥质量的0.1%）的rGO即可有效细化孔隙，增强水泥基体密实度，从而提升水泥基复合材料力学性能、耐久性和导电性。同时，加入rGO还有助于降低水泥基材料温度梯度，有助于控制复合材料热开裂。然而，rGO的增强效果在很大程度上取决于其在水泥基材料中的分散程度。为解决这一问题，学者们开发了大量分散方法。其中，在超声分散辅助下使用表面活性剂/高效减水剂分散rGO是最有效的解决方案。然而，这增加了水泥基材料的额外制造成本，不适合大规模生产混凝土。

研究出发点

如何制定合适的分散策略以实现rGO在水泥基体中均匀分散和可加工性成为一个更具挑战性的问题。目前，尚无研究深入探讨不同分散方法处理rGO对水泥基材料性能的具体影响。

研究内容

本文研究了4种rGO分散方法（包括结合高效减水剂和超声辅助分散的典型分散rGO方法，以及三种无需特定制备流程的分散方法（即直接将rGO与水泥/骨料混合））对rGO改性水泥基复合材料力学性能和耐久性的影响，并通过能量色散光谱（EDS）、扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）和压汞法（MIP）等手段分析了不同分散方法对水泥基复合材料微观结构和水化产物的影响。

主要结论

本文采用4种不同分散方法制备了rGO增强水泥基复合材料，并对其力学性能、耐久性和微观结构进行了研究。主要结论如下：

（1）碱性水泥溶液（ACS）实验结果表明，相较于结合高效减水剂和超声辅助分散的典型分散方法，通过砂粒剪切预分散方法中砂子施加的高速剪切和摩擦效应可更有效地减少rGO在碱性环境中的团聚。这导致rGO在水泥基复合材料中的暴露表面积增加，从而使rGO可提供更多的成核位点。

（2）rGO均匀分布在水泥基复合材料中可提高其力学性能。与对照组相比，采用最佳分散方法（方法3：砂粒剪切预分散法，即砂子与rGO干混）制备的rGO/水泥砂浆试样的7 d和28 d抗折强度分别提高23.6%和26.01%，抗压强度分别提高34.7%和39.8%。

（3）rGO可有效填充胶凝材料孔隙缺陷，增加基体致密性。通过砂粒剪切预分散法制备的rGO/水泥砂浆初始吸附率和二次吸附率分别为4.911 μm/s1/2和3.46 μm/s1/2，分别降低了18.67%和17.81%。这使得含有rGO的水泥基复合材料表现出优异的抗碳化性。

（4）微观分析表明，分散良好的rGO有利于促进离子交换，加速水泥中矿物组分（如C3A、C3S等）的溶解速率，从而产生更多水化产物。同时，高比表面积的rGO可提供更多成核位点，有序调控水化晶体的生长方向。