Cement Concrete Comp. ：硫酸盐侵蚀下氧化石墨烯纳米片水泥砂浆劣化机理的实验与模拟

研究背景

在盐渍土和沿海地区，水泥基材料受硫酸盐侵蚀劣化是其耐久性问题面临的主要挑战。众所周知，水泥基材料中硫酸盐侵蚀是一个复杂的化学-物理过程，主要包括硫酸盐扩散、水化产物结晶生长和微裂缝扩展。现有提升水泥基材料抗硫酸盐侵蚀策略主要包括控制水泥成分和改善微孔。上述策略通常包括使用辅助胶凝材料（SCMs）、抗硫酸盐水泥或降低水灰比。然而，尽管上述方法可在宏观或微观水平上增强水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性能，但通常无法延迟钙矾石（AFt）晶体生长和纳米级微裂缝发展。因此，上述方法无法从根本上解决水泥基材料受硫酸盐侵蚀劣化问题。

近年来，纳米材料因其优越的力学性能和纳米尺度效应而在建筑领域得到广泛应用，为水泥基材料的未来改性设计提供了光明前景。氧化石墨烯（GO）作为一种典型的二维纳米材料，因其表面存在大量含氧官能团而具有优异的力学性能和强分子间作用力。相较于其它纳米材料，GO可更均匀地分散在水泥浆体中，故其可显著提高水泥基材料的力学性能和耐久性。研究表明，仅0.01%~0.1%的GO掺量就可将水泥砂浆的28 d抗压强度提高15%~80%，抗折强度提高20%~150%，抗拉强度提高30%~100%。这归因于GO的高比表面积和与水泥浆体间强粘聚力。由此推断，少量GO即可显著提高水泥基材料力学性能。

然而，关于GO改性水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性能研究仍处于早期阶段。简而言之，GO可细化水泥基材料微观结构，抑制微缝生长，从而延长结构实用寿命。此外，GO可改善水泥水化，细化水泥基体孔隙结构，通过GO/水泥基体界面的化学键促进荷载传递，并在样品混合过程中充当消泡剂。上述结论主要借助各种精密仪器和表征方法从微观角度得出，主要聚焦于水泥水化动力学、C-S-H结构、水泥基体孔隙结构和GO/水泥基体界面结合上。尽管普遍认为GO可为水化产物生长提供成核位点，但由于文献中数据不一致，GO在水泥水化过程中的确切行为和机理尚未明晰。

研究出发点

当前水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能主要通过室内加速试验（在高浓度硫酸盐溶液、强干湿循环）评估。上述加速方法可改变实际现场条件下水泥基材料的劣化机理。因此，故有必要模拟GO改性水泥基材料在真实工况下的长期劣化行为。

研究内容

本文通过试验和数值分析相结合的方法研究了GO改性砂浆在硫酸盐侵蚀下的劣化规律和改性机理。具体为：进行抗硫酸盐侵蚀测试、力学测试和超声波测试，在不同暴露时间（最长24个月）和硫酸盐浓度（以水为参照，2.1%为现场条件，5%为标准实验室条件，15%为高浓度条件）下，记录样品抗压强度、质量和超声波速度；建立了一个考虑时变边界条件下硫酸根离子传输特性和GO掺量的模型，并与实验数据进行对比；从GO掺量、硫酸根离子浓度和暴露时间的角度讨论了改性机理。

总结

本文研究了氧化石墨烯（GO）改性水泥砂浆在不同浓度硫酸盐溶液中的长期劣化性能。此外，提出了包含时变边界条件的多因素耦合化学-力学模型。主要结论如下：

（1）优化长径比且分布均匀的GO有利于提高水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀性能，故推荐使用长径比高、分散性好的GO作为水泥砂浆中的纳米外加剂。

（2）在低浓度硫酸盐溶液中，钙矾石（AFt）积聚产生的结晶压力是砂浆劣化的主要原因。相反，在高浓度硫酸盐溶液中，碱离子几乎完全扩散出孔隙液，结构劣化主要归因于石膏沉淀而非钙矾石积累。

（3）水泥砂浆抗压强度在硫酸盐侵蚀初期增加，后期降低。在强度增加阶段，损伤因子为零；而在强度降低阶段，随着暴露时间增加，样品劣化加剧。值得注意的是，两个阶段的劣化过程不一致。

（4）本文所提模型可描述低掺量GO改性水泥砂浆随硫酸盐溶液暴露时间的劣化过程。然而，该模型未考虑GO分散性。这可能导致计算和实验结果之间不一致，特别是当GO掺量相对较高时。

本文证明了在实际工况条件下使用较低掺量的GO来增强水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的可行性。具有高长径比和良好分散性的纳米片作为纳米外加剂可显著提高水泥基材料耐腐蚀性，为纳米改性水泥基材料中提供了新途径。当预测GO改性砂浆在硫酸盐侵蚀下的使用寿命时，本文所提模型可作为纳米尺度和宏观尺度之间的关键联系。此外，开发考虑GO分散性的模型将是未来研究的重点。

Experiment and modelling of degradation mechanism of cement mortar with graphene oxide nanosheets under sulfate attack

硫酸盐侵蚀下氧化石墨烯纳米片水泥砂浆劣化机理的实验与模拟

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2024.105833