本文以石墨烯改性水泥基材料的制备及性能研究为主线,从石墨烯的分散性问题入手,进而围绕石墨烯对水泥导热能力及内外温差的影响、早期收缩及抗裂性等方面开展研究。同时,对石墨烯改性水泥材料的力学强度、微观结构及钢筋锈蚀等性能也展开相关的探索工作。主要研究结果如下:一、氧化石墨烯（GO）在水泥基体中的分散性研究1、GO的团聚机理分析:GO团聚物的横向尺寸可达125μm,纵向厚度12μm,球形度在0.2～0.7之间。明确了GO表面-COOH等官能团与二价阳离子之间的络合作用以及强碱性条件下的还原反应是导致其团聚的主要原因。2、GO的分散方法及空间分布表征:基于GO的团聚机理,提出了不同的分散方式,并借助三维X射线断层扫描仪和扫描电子显微镜观察了GO的空间分布情况。结果表明:高速搅拌法无法阻止GO的团聚行为,聚羧酸（PCE）分散法可以显著改善GO的分散性,包覆法和球磨法均可通过水泥颗粒的位阻效应防止GO团聚。此外,宏观强度数据的离散性间接验证了不同方法分散GO的效果。综上所述,高速搅拌法不能用于GO改性水泥基材料的制备,PCE分散法和球磨法适用于大宗性能实验研究,包覆法适用于探究水泥水化等细微研究。二、还原氧化石墨烯（rGO）改性水泥基材料的导热及温变性能研究1、rGO的分散性研究:基于掌握的GO分散方法,探究了rGO的分散性。当PCE/rGO的质量比为0.5时,rGO在水中的分散效果最好。在此条件下,rGO以单片形式分散在水化产物中,没有观察到明显的团聚物。2、rGO对水泥导热能力及大体积砂浆内外温差的影响:在掌握rGO分散方法的前提下,阐明了rGO对水泥材料导热能力的影响规律。随rGO掺量增加,硬化水泥石的导热能力逐渐提高,其导热系数和热扩散系数最大可提高7.80%和29.00%。rGO改性砂浆表层、中间层、底层的最高温差分别为1℃,4℃和1.25℃,低于对照组的温差数据（5.5℃,10.5℃和6℃）。同时,微应变在69～76之间,也低于对照组的数值（74～79）。综合VG Studio MAX软件的模拟结果,表明:rGO提高了砂浆试块整体的导热传输能力,有效缩减了内外温差及温度应变。3、球磨法分散rGO及其对水泥导热能力的影响:进一步探究了球磨法制备大掺量rGO改性水泥的技术可行性及其导热能力。四组球磨水泥的粒度分布基本一致,且导热能力随rGO掺量的增加逐渐提高,导热系数和热扩散系数最大增幅为31.48%和40.83%。三、rGO改性水泥基材料的收缩及抗裂性能研究1、rGO对早期收缩性能的影响:在掌握rGO调控温变收缩技术的基础上,进一步研究了rGO改性砂浆因湿度因素诱发的收缩应变。结果表明:rGO能够增大砂浆的塑性收缩,抑制干燥收缩和自收缩。其中,2.00 wt.%的rGO能够使塑性收缩峰值增加约11倍,使相应的干燥收缩和自收缩降低38.25%。2、rGO对抗裂性能的影响:rGO显著降低了塑性收缩裂缝的数量、长度及宽度,2.0 wt.%rGO改性的试样表面基本无宏观可视裂纹,最大裂缝宽度下降了79.68%。3、rGO改善收缩及抗裂性的机理:研究了rGO改性砂浆的保水性和失水速率,明确了rGO调控收缩、提高抗裂性的作用机制。rGO对砂浆的保水作用导致内部结构孔中形成了更大的弯月面半径,缩减了表面张力,降低了自收缩和干燥收缩。此外,rGO加剧了砂浆表面水分蒸发速率与内部水分渗出速率之间的不平衡关系,导致塑性收缩增大。rGO在水化产物中发挥桥接作用,分散毛细管应力,限制不均匀的收缩变形。rGO提高了砂浆的抗裂能力,抵消了因塑性收缩增加引起的负面影响。四、rGO改性水泥基材料的强度及微观结构研究1、rGO对力学强度的影响:探究了PCE分散法和球磨法制备rGO改性砂浆的力学强度。随rGO掺量增加,砂浆的抗压抗折强度均呈现先增大后减小的趋势。PCE分散法制备0.6 wt.%rGO改性砂浆的3天抗压和抗折强度提高了6.5%和7.8%,球磨法制备1 wt.%rGO改性砂浆的3天抗压抗折强度增幅为19.39%和14.59%,28天增幅为21.76%和17.27%。2、GO和rGO对水泥水化性能的影响:基于包覆法技术,进一步探究了GO和rGO对水泥水化性能的影响。首先明确了在300℃下煅烧60 min将GO退火转变为rGO。随GO或rGO掺量增加,水泥水化的放热速率和总放热量均增大,GO相比于rGO更能够促进水泥水化反应。此外,GO和rGO并未改变水化晶体的类型,只是促进了产物的生成,使水化晶体相互紧密交织,形成了更加致密的微观结构。3、GO对无水硫铝酸钙（C4A3$）水化性能的影响:研究了GO包覆C4A3$的水化性能及调控机理。GO成功包覆在C4A3$表面,两者之间没有化学作用。随GO掺量增加,C4A3$主放热峰值增加的幅度依次为32.3%、74.1%和19.6%。此外,0.12 wt.%和0.23wt.%GO能够有效缩短C4A3$的诱导期,0.4 wt.%GO可延长主峰水化时间。随GO掺量增加,AFt明显减少,AFm含量增加。Ca2+与-COOH的络合作用降低了Ca2+浓度,延缓了AFt的形成。五、rGO对水泥基材料中钢筋锈蚀的影响研究1、动电位极化曲线分析:未浸泡NaCl溶液前,rGO改性砂浆的抗腐蚀性相比对照组提高。28天浸泡龄期内,0.6 wt.%rGO改性砂浆的抗腐蚀性提高,1.2 wt.%rGO试样的有所降低。浸泡28天后,rGO改性砂浆的抗腐蚀性相比对照组均下降,且所有试样发生氯离子侵蚀反应。2、电化学阻抗谱分析:在同一测试龄期内,电荷转移电阻R3的变化趋势说明浸泡28天前随rGO掺量增加,砂浆的抗腐蚀性先变强然后下降,发生氯离子侵蚀反应后rGO改性砂浆的抗腐蚀性均下降。综上所述,0.6 wt.%rGO在短时间内可以提高钢筋的抗腐蚀性,当rGO掺量过高或浸泡龄期较长时,均会加速钢筋腐蚀。