Cement Concrete Comp. ：氧化石墨烯对低水胶比水泥基材料水化及力学性能影响

题目

The influence of graphene oxide on the hydration and mechanical properties of cement-based materials with low water-binder ratio

氧化石墨烯对低水胶比水泥基材料水化及力学性能影响

关键词

低水胶比；氧化石墨烯；孔结构；C-S-H凝胶；钙硅比

来源

出版年份：2024年

来源：Cement and Concrete Composites

通讯作者：北京交通大学土木建筑工程学院韩松副教授

研究背景

氧化石墨烯（GO）因其纳米级尺寸、高比表面积和优异的物理性质而广泛用于增强水泥基材料力学性能和耐久性。GO的纳米级尺寸和高比表面积可为水泥水化提供成核位点并填充水泥颗粒之间孔隙，其表面含氧官能团与Ca2+之间较强的相互作用可加速水泥基体中离子迁移，从而促进C-S-H成核与生长。大量研究表明，GO可有效增强高水胶比（0.3–0.5）水泥基材料力学性能。然而，由于GO成本较高，其在高水胶比普通混凝土材料中的应用受限，GO更适合应用于低水胶比超高性能混凝土（UHPC）。为使UHPC获得更高的力学性能和耐久性，通常对其进行高温蒸汽养护。但这可能会对UHPC长期力学性能、耐久性和微观结构产生负面影响。此外，高温蒸汽养护会改变水泥水化过程，并显著影响功能材料的有效性。

研究出发点

GO在提高低水胶比UHPC性能方面具有良好的潜力，且不会大幅增加成本。虽然GO在高水胶比（0.3-0.5）水泥基材料中的作用和机理达成了广泛共识，但关于其对低水胶比UHPC性能影响的研究仍很少。

研究内容

本文探讨了不同养护条件下不同GO掺量对低水胶比UHPC综合性能影响及机理。具体为：采用力学性能试验、化学结合水试验、压汞法（MIP）和扫描电子显微镜-背散射电子（SEM-BSE）成像等方法总结了不同试验组材料的力学性能、水化程度、孔结构和微观结构变化，并探讨了GO对低水胶比UHPC的影响机理。

总结

本文通过力学性能、化学结合水、孔结构和微观结构分析，研究了氧化石墨烯（GO）在低水胶比超高性能混凝土（UHPC）中应用的效果。具体为：阐明了GO对低水胶比UHPC综合性能影响，探讨了GO对低水胶比UHPC力学性能的影响机理。主要结论如下：

（1）低水胶比条件下，适量的GO可提高UHPC抗压强度，但对其抗折强度有明显削弱作用，且该现象在不同养护温度下是一致的。另外，GO对抗压强度的增强效果不如高水胶比下明显。

（2）GO起到细化小孔和粗化大孔的作用，总体上可增加低水胶比UHPC孔隙率。虽然细化小孔可局部增强水泥基材料，但粗化大孔的负面影响会显著削弱此增强效果。高温蒸汽养护也会显著促进GO粗化大孔，从而引入更多缺陷并导致抗折强度明显降低。因此，在高温蒸汽养护条件下使用GO提高UHPC材料抗压强度时，应进一步考虑其对抗折强度的负面影响。

（3）GO可促进Ca2+的早期溶解过程，显著增加高密度C-S-H凝胶的数量。这种作用会增强水泥水化程度并增加内部水化产物（IP）厚度。由于水化作用的空间限制，高密度C-S-H凝胶内1000 nm以下的小孔数量大大减少，凝胶致密化。这最终导致钙硅比（Ca/Si）降低、IP微观结构增强。同时，Ca2+溶解量的增加会提高外部水化产物（OP）中Ca/Si，改变OP中氢氧化钙的结晶特性并弱化OP微观结构。这会共同导致小孔细化和大孔粗化，宏观力学性能变化表现为抗折强度降低和抗压强度增加。