掺0.02%氧化石墨烯对高强混凝土性能的影响

◎张煊铭 赵腾飞

（1.商丘工学院土木工程学院，河南商丘 476000；2.豫东黄泛区地下空间与岩土工程研究中心，河南商丘 476000）

随着时代的进步和社会的发展，普通混凝土无法满足建筑对美观、经济、节能环保等方面的要求，所以改善或制备低价的超高性能混凝土成为当前研究的热点[1-2]。

氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)是石墨烯的氧化物，其颜色为棕黄色，常见的产品有粉末状、片状以及溶液状。经氧化后，其含氧官能团增多而使性能较石墨烯更加活泼，与石墨烯相比，制作成本较低。邱文俊等人[3]研究表明，掺入0.02%的氧化石墨烯，使标准养护下大掺量矿物细粉超高性能混凝土抗压强度，提高到蒸汽养护的水平，不仅节约了成本，而且具有重要应用价值；郑睢宁等人[4]研究表明掺入0.02%的氧化石墨烯可显著提高水泥基复合材料的抗冻性能，因此，笔者以掺入0.02%氧化石墨烯作为混凝土的外加剂，分析0.02%氧化石墨烯在混凝土基材的作用机理和研究掺和氧化石墨烯（以下简称为GO）对混凝土性能的影响。

1 GO在混凝土中的作用机理

GO的分散性不好，直接用作外加剂则会影响外加剂的作用。为减小GO的分散性对混凝土的影响，利用聚羧酸减水剂复合物(GPC)，通过氢键以及酯键连接，使聚羧酸长链结构复合在GO片状结构上[5~8]。利用复合在GO片层结构上的减水剂长链分子，使GO在减水剂中的分散性得到显著改善。由于GO的表面积较大以及分散性变强，在混凝土水化过程中，会有更多的氢氧化钙在GO片状结构上结晶，从而减少氢氧化钙在GO表面上的聚积，孔隙率大大变小，可以提高混凝土的性能[9~11]。

2 GO对混凝土性能的影响

为测试0.02%GO对混凝土的影响，采取两组试验进行对比研究（每组分为6个试件，共计12试件）：一组为掺0.02%GO的混凝土，另一组为不掺GO的混凝土，水胶比为0.28，实验所需混凝土的配合比设计可根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）进行设计，混凝土配合比为：水4kg、P.0.52.5R的普通硅酸盐水泥12.2kg，产自山东淄博鲁中水泥有限公司，体积安定性检测合格，中砂19.02kg，级配碎石33.8kg，粉煤灰2.03kg。

2.1 GO对混凝土和易性的影响

为了测试0.02%GO对混凝土和易性的影响，制备两组混凝土做坍落度试验，试件分为A、B两组，两组进行对照试验，一组为掺0.02%石墨烯的混凝土，另一组为不掺石墨烯的混凝土，每组6个试件。实验使用上口100mm、下口200mm、高300mm喇叭状的坍落度桶，混凝土分三次填装，每次填装后用捣锤沿桶壁均匀由外向内敲击25次，捣实后，抹平。然后拔起桶，混凝土因自重产生坍落现象，用桶高(300mm)减去坍落后混凝土最高点的高度，称为坍落度，实验数据如表1所示：

由表1混凝土坍落度可知：掺入0.02%GO的混凝土坍落度（平均坍落度，下同）比不掺GO的混凝土坍落度小5.83mm。由此可见，掺入0.02%的GO作为制备混凝土的外加剂时降低混凝土8.23%的流动性。

表1 混凝土坍落度

2.2 GO对混凝土抗压强度的影响

为了测试0.02%GO对混凝土抗压强度的影响，制备两组配合比相同的混凝土试块进行对照试验，一组为掺GO的混凝土，另一组为不掺石墨烯的混凝土。试块制备养护后，通过液压万能试验机300B（测量精度为±2%）和抗折试验装置对试块进行每秒钟0.6MPa连续均匀地加荷的方式测试两组混凝土的抗压强度，数据如下列表2所示：

由表2可知：B组在3天的抗压强度、7天的抗压强度、28天的抗压强度都比A组相对的抗压强度有所增加，其在3天、7天、28天的增加率为8.53%、13.79%、15.25%，这说明掺入0.02%GO的混凝土抗压强度会增加。另外，A组的7天抗压强度对照3天抗压强度其强度增加了99.61%，B组的7天抗压强度对照3天抗压强度其强度增加了109.29%，这表明掺入0.02%的GO作为外加剂能够使混凝土早期的抗压强度快速增加。

表2 掺入0.02%的GO对混凝土抗压强度的影响

2.3 GO对混凝土抗折强度的影响

为了测试0.02%GO对混凝土抗折强度的影响，制备两组配合比相同的混凝土试块进行对照试验，一组为掺石墨烯的混凝土，另一组为不掺石墨烯的混凝土。试块通过制备养护后，通过液压万能试验机300B（测量精度为±2%）和抗折试验装置对试块进行每秒钟0.6MPa连续均匀地加荷的方式测试出两组混凝土的平均抗折强度，如表3所示：

通过表3中两组混凝土的抗折强度数据可知，B组在3天的抗折强度、7天的抗折强度、28天的抗折强度都比A组相对的抗折强度有所增加，其在3天、7天、28天的增加率为16.67%、20%、15.28%，这说明掺入GO的混凝土抗折强度会增加且增长率会在中期达到最大，然后开始下降。另外，A组的7天抗折强度对照3天抗折强度其强度增加了52.78%，B组的7天抗折强度对照3天抗折强度其强度增加了57.14%，这表明掺入0.02%的GO能够使混凝土早期的抗折强度增加。

表3 掺入0.02%GO对纯混凝土抗折强度试验结果

2.4 GO对混凝土抗冻性能的影响

本实验采用慢冻法[12]，通过使用冻融试验箱、液压万能试验机300B、台秤等仪器得到由混凝土经过50次冻融循环之后的强度损失和200次冻融循环之后的质量损失来判断混凝土的抗冻性能，表4、5即是混凝土经过冻融循环试验得到的质量损失和强度损失数据，试件分为A、B两组，每组6个试件。

其中，混凝土强度损失率△fc50由公式1计算得出：

式中：fc0—冻融循环之前混凝土试件的强度；

fc50—50次冻融循环之后混凝土试件的强度；

△fc50—50次冻融循环之后混凝土试件的强度损失率。

其中，混凝土质量损失率△W200由公式2计算得出：

式中：

W0—试块冻融前的质量，单位g；

W200—同一试件200次冻融后的质量，单位g；

△W200—200次冻融后试件的质量损失率。

由表4，表5可知，A组混凝土经50次冻融循环后的平均强度损失率为3.77%、经200次冻融循环后的平均质量损失率为5.8%，B组混凝土经50次冻融循环后的平均强度损失率为1.06%、经200次冻融循环后的平均质量损失率为0.18%。由此可见，掺入0.02%的GO作为混凝土的外加剂能够提高混凝土的抗冻性能。

表4 掺入0.02%GO对纯混凝土经50次冻融循环后的强度损失结果

表5 掺入0.02%GO对纯混凝土经200次冻融循环后的质量损失结果

3 结论

笔者研究0.02%GO做外加剂对混凝土和易性、抗压抗折强度、抗冻性能的影响，得出了以下结论：

（1）掺入0.02%的GO作为制备混凝土的外加剂时降低混凝土8.23%的流动性。

（2）掺入0.02%的GO作为制备混凝土的外加剂时，混凝土的抗压抗折强度得到增强，以0.02%GO为外加剂的混凝土的抗压强度在3天、7天、28天的增加率为8.53%、13.79%、15.25%，以0.02%GO为外加剂的混凝土的抗折强度在3天、7天、28天的增加率为16.67%、20%、15.28%。通过数据分析，掺入0.02%的GO的混凝土早期的抗压抗折强度快速增加。

（3）掺入0.02%的GO作为混凝土的外加剂能够提高混凝的抗冻性能。