氧化石墨烯掺加在水泥基材料的应用研究

王远贵

摘 要：氧化石墨烯（GO）表面有多种活性官能团，溶于水，它粒径非常小、层薄、比表面积大。本文从GO的制备方法、分散方法，总结了其对水泥基复合材料的性能的影响，描述了目前氧化石墨烯应用于水泥基材料的现状和存在的一些问题，为今后的研究提供一些参考。

关键词：GO；增强；水泥基材料；力学性能

GO是石墨烯片层经过氧化而来的衍生物，由碳苯环单层排列而成，分子结构中含有-OH、-COOH等，有很大的比表面积。氧化石墨烯由于被氧化的程度不同被认为是一种不规则不均匀存在的碳材料，由于它独特的结构和性能，GO可以得到很多科学应用，目前，国内外许多学者将GO材料应用到水泥基材料中，研究了GO对水泥基材料的强度、微观形貌、和对水泥水化热的影响以及对水泥基材料的的抗渗性，抗冻性影响等[1]。GO分解在水溶液中易形成分散片层，以此用于水泥拌合可以改善晶体的生长结构和凝胶石数量来改善水泥基复合材料的强度和耐久性。

1. 氧化石墨烯制备

目前GO的制备方法，以化学方法制备为主，原理是用酸和氧化剂共同处理石墨，生成石墨层间化合物，然后使用强氧化剂深度氧化，然后进行分解得到氧化石墨，最后通过过滤水洗的方式去除杂质之后，再经过超声和搅拌得到氧化石墨烯的水溶液。此类制备方法的缺点在于会产生有害气体，造成环境污染；对制备的GO进行水洗和过滤，增加了过程工艺的复杂性。近几年已经发展到采用更为简单，更低廉成本，更环保绿色的电化学方法制备GO，这种方法制备的GO材料具备更好的物理化学性能。

2. GO的分散

GO具有很大的比表面积，很容易发生粘聚，GO的在水溶液中分散得品质直接影响着水泥基复合材料的性能，因此，GO应采取措施将其均匀地分散到水中形成水溶液，然后用到复合材料中。目前，氧化石墨烯分散的办法有超声波分散法、电泳分散法。超声波分散法是利用超声波在水中产生的气泡瞬间破裂时产生的冲击波，克服GO分子间的引力作用，以此达到分散的目的。电泳法是在溶液中通电，利用电场作用使GO分子分散[2]。目前常采用添加外加剂的方法对进行分散。外加剂常利用空间位阻效应和库仑力防止阻止GO聚集，促使GO分散。现在有很多对GO进行分散的外加剂研究，表明，存在有效的外加剂可以对GO水溶液进行分散，且分散效果稳定性良好。GO在水泥浆液中会发生聚沉现象，所以可以用外加剂作为水泥浆中的分散剂将水泥浆中的GO分散，发挥GO的作用。可明显改善水泥基材料的抗压强度、抗折强度及耐久性。

3. GO在水泥基材料中的应用

3.1 GO对水泥基材料的增强作用

在聚羧酸减水剂的作用下，GO能在水泥浆体中得到更好分散，以此发挥GO的纳米材料性能。吕生华[3-5]等发现GO在适当的掺量下可对水泥石中水泥水化产物晶体的生长有模板作用和促进作用，它能够促进水泥水化产物形成规则的晶体，从而对凝胶石有显著的增强作用，特别是对早期强度影响更为明显[6]。有也研究者发现适量的GO能够增加水泥凝胶石晶体的数量，减少水泥石的大孔，增加微孔结构，改善水泥石的抗渗和抗冻性，增强水泥基材料的耐久性。GO的增强水泥基材料作用包括填空作用、模板作用和连接作用。水泥凝胶石多为无规则的无定形的杂乱无章的针棒状晶体，这些都是造成水泥基材料缺陷的本源。GO的加入可促进晶体生成及增加晶体数量，弥补水泥石裂缝，改善孔结构，进而改善水泥基材料的强度和抗裂性。

3.2 GO对水泥基材料耐久性的改善作用

GO促进水化产物晶体生长，可以填充不同尺寸的孔径，孔径分布越小，裂缝减少减小，使氯离子迁移更困难，进而相对保护了水泥石的抗氯离子渗透性。GO通过改善浆体的孔结构，切断了水在水泥石中的通过，对其耐久性有显著地提升，掺加GO的水泥石表现出良好的抗渗能力。GO的大表面积决定了其须在一个恰当的掺量范围，掺量过少则起不到作用，掺量过多则会吸收大量的自由水，反而使赋予流动的水减少，使拌合物变干，增大空隙，起到反作用。在对抗冻性影响方面，由于GO的加入，改善了水泥石内部微小孔径，使水分子在细小的空隙内较难发生冻结，改善了水泥基材料的抗冻性。水泥石材料侵蚀主要是因为SO42-的通过扩散进入水泥石内部，与水泥石发生化学反应，引发水泥石的侵蚀。当环境中存在Mg2+时，Mg2+可以加速侵蚀反应，生成松散的Mg（OH）2和CaSO4·2H2O，并降低了水泥石内部的碱性，造成盐腐蚀。GO的掺加后由于更密实的C-S-H晶体生长和更微小的缝隙，孔洞，阻断了SO42-的迁移通道，对水泥石侵蚀减小，耐久性增强。

4. GO对水泥基材料影响机理

水泥的主要成分包括硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙，通过水泥的水化反应，生成呈针棒状的钙矾石、单硫型水化硫酸钙，针状、片状的氢氧化钙和无规则形状凝胶石，由于这些水化物无规则，晶体生长错乱交替，所以水泥石存在裂缝，空隙等缺陷。GO加入后能促进水泥水化，为晶体生长提供模板，促进水化产物生长，使微观结构变得致密，填充基体空隙和裂缝，减少水泥石缺陷，提高了水泥石的强度和耐久性。GO薄片可以附着晶体，可以减少微观孔径，以及水泥硬化体的孔隙率，只要这些晶体在空隙，微小裂缝以及其他的一些缺陷结构内产生，这些水化物晶体则会沿着不同方向生长蔓延，所以GO有填隙效应、连接以及阻断微裂缝生长的作用[7]。

5. 结语

目前GO研究成果表明，GO具有促进水化晶体生长的作用，并填充水泥基体的孔隙和限制裂缝的延申，提高了水泥浆体的强度和耐久性。在水泥浆体中必须使GO尽量分散，但是目前就如何使GO在水泥净浆中均匀分散还需要深入研究。GO掺加水泥基复合材料产生的影响机理探索，从微观分析对解释GO在对水泥基材料宏观上的促进和调节作用具有重要意义。由于水泥水化的复杂性，在GO对水泥基复合材料的影响也是复杂多样，还有很多领域在目前研究中没有研究透彻。随着各种检測，分析技术的日趋完善，充分利用这些先进检测工具，对GO在水泥基复合材料中的应用研究，提供有效支撑。

参考文献

[1] 王琴，王健，吕春祥，等.氧化石墨烯对水泥基复合材料微观结构和力学性能的影响[J].新型炭材料，2015，30（4）：349-356.

[2] 张则瑞，吴建东，等.氧化石墨烯（GO）在水泥基复合材料中的应用研究进展[J]. 硅酸盐通报，2017，36（9）3008-3019.

[3] 吕生华，孙婷，等.纳米氧化石墨烯对水泥复合材料中水化晶体结构的控制及增韧作用[J].混凝土，2013，11：1-6.

[4] 赵海锋，吕生华，邓丽娟.氧化石墨烯增强增韧水泥基复合材料的结构和性能[J].陕西科技大学学报：自然科学版，2016，34（3）：60-64.

[5] 吕生华，孙 婷，刘晶晶，等. 氧化石墨烯纳米片层对水泥基复合材料的增韧效果及作用机制[J].复合材料学报，2014，31（3）：644-652.

[6] 刘衡，孙明请，李俊，等.掺纳米石墨烯片的水泥基复合材料的压敏性[J]. 功能材料，2015，16（46）：16064-16068.

[7] 曹明莉，张会霞，张聪.石墨烯对水泥净浆力学性能及微观结构的影响[J]. 哈尔滨工业大学学报，2015，47（12）：26-30.