Constr. Build. Mater. ：氧化石墨烯性质、减水剂类型和分散技术对掺氧化石墨烯混凝土力学性能影响

题目

Influence of graphene oxide properties, superplasticiser type, and dispersion technique on mechanical performance of graphene oxide-added concrete

氧化石墨烯性质、减水剂类型和分散技术对掺氧化石墨烯混凝土力学性能影响

关键词

氧化石墨烯；混凝土；减水剂；分散技术；强度；弹性模量

来源

出版年份：2024年

来源：Construction and Building Materials

课题组：澳大利亚新南威尔士大学Damith Mohotti课题组

研究背景

混凝土是全球用量最广泛的建筑材料。随着对更复杂和耐用的混凝土结构需求增加，对混凝土性能的要求也越来越高。然而，传统混凝土材料存在诸如开裂、耐久性降低和延性降低等性能缺陷。因此，改善水泥水化特性和优化混凝土微观结构对提高混凝土性能至关重要。引入纳米材料被认为是减少混凝土裂缝、气孔和缺陷的有效方法之一。纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化铁、纳米碳酸钙、碳纳米管和氧化石墨烯均具备很高的反应能力，可促进生成稳定的水化晶体。然而，上述纳米材料减少混凝土裂缝扩展能力弱，在水化过程中为形成水泥水化产物提供的成核位点不足。碳基纳米材料（CBN）裂缝桥接效应能减少混凝土微观结构中裂缝传播或扩展。氧化石墨烯（GO）作为一种CBN材料，能使基体微观结构更致密，从而显著提高混凝土力学性能及耐久性，使其适应各种复杂环境。但是，由于GO层间存在较大范德华力作用，使其在水泥基体中分散性较差。此外，GO的颗粒大小、氧化程度和官能团种类等材料特性也会影响水泥基体中GO的分散情况。上述分散问题限制了GO在混凝土中的广泛应用。研究表明，采用合适的分散方法可提升GO对混凝土的增强作用。常用的GO分散方法有分散方法有机械搅拌、高速混合和超声处理等。通过综合比较找到最适宜的分散工艺，能够解决分散技术对掺GO混凝土强度的影响。

研究出发点

现有文献多数集中于掺GO水泥浆体而非混凝土的性能研究，且少有研究对GO混凝土的力学性能进行全面分析。分散技术、GO性能以及减水剂（PS）类型是影响掺GO混凝土最终性能的关键参数。然而，少有文献研究GO混凝土中这些参数的综合影响，并选择合适的参数来实现GO混凝土的最佳性能。

研究内容

本文使用两种氧化石墨烯（GO-A和GO-B）、两种减水剂（聚羧酸减水剂PS-A和普通减水剂PS-B）和三种常用的分散技术（机械混合、高速混合和超声处理）研究了关键参数对混凝土性能的综合影响。通过测试28 d抗压强度、间接抗拉强度、抗弯强度和弹性模量，确定了使混凝土性能最优化的最佳参数。

总结

本文对掺氧化石墨烯（GO）混凝土进行了全面研究，分析了GO性能、减水剂类型和分散技术对其最终力学性能的影响。通过实验测试结果，对影响掺GO混凝土性能的关键因素进行深入研究。主要结论如下：

（1）与对照组相比，掺GO混凝土的抗压强度有显著提高。对添加0.12% GO-B和0.14%聚羧酸醚（PCE）减水剂（PS-A）的混合物采用超声波分散技术进行分散，与仅添加PS-A的对照组相比，28 d抗压强度提高33%。同样，采用0.08% GO-A（其中一种GO代号，相较于GO-B，GO-A粒径更大、石墨层数更少、石墨化程度更低以及含氧官能团数量更少）、0.12% PS-A和超声波分散技术的GO-A混合物，28 d抗压强度提高25%。

（2）从抗压强度来看，GO-B混合物的性能优于GO-A混合物，归因于GO-B具有更小的尺寸、更多的含氧官能团、更高质量的石墨结构以及更多的GO薄片和缺陷。与添加GO-A混合物相比，添加GO-B混合物28 d抗压强度提高7%。

（3）采用超声分散法的组别抗压强度最高，由于产生强剪切力和机械能，在GO-B最佳混合中，超声分散法比机械混合法28 d抗压强度提高6%，比高速混合法28 d抗压强度提高4%。因此，在各种标准分散方法中，超声分散法是最适合掺GO混凝土中GO的分散方法。

（4）合适的减水剂类型对掺GO混凝土性能提升较大。本研究中使用PS-A与使用增稠剂（PS-B）相比，最佳GO混凝土28 d抗压强度提高8%。

（5）本研究中最佳混凝土混合物是采用超声分散技术分散含有0.12% GO-B和0.14% PS-A的GO-B型混凝土，与仅含有PS-A的对照混凝土相比，28 d间接抗拉强度、抗弯强度和弹性模量分别提高24%、25%和30%。