氧化石墨烯(GO)对超高韧性水泥基复合材料力学性能的影响

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在现代社会对建筑耐久性和功能性提出更高要求的背景下,具备优异变形能力和裂缝控制能力的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)应运而生。UHTCC在实现纤维/基体间良好协同变形能力的同时也掺入了高掺量的粉煤灰,粉煤灰早期水化缓慢的特点造成了其早期强度不高的问题。氧化石墨烯(GO)作为性能优异的纳米材料,其在影响水泥水化过程的同时也改善了浆体的微观结构;同时也有研究表明GO有利于促进粉煤灰的二次水化反应,因此GO可以提高水泥基材料全龄期的强度。鉴于上述两者的性能特点,GO和UHTCC在水化反应、力学性能上可以实现性能互补。本次研究采用GO改性UHTCC,完成的工作和成果如下:1、采取扫描电镜、傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱和X射线衍射测试对工业级别GO进行性能表征,测得该GO含氧量为29.60%,片层间距约为0.8422nm,其表面形态呈薄纱状,并且含有羟基、羧基和环氧基等官能团。2、在0%-0.05%GO掺量范围内设计8组配合比,研究不同掺量GO分别在3d、14d、28d和56d龄期对水泥砂浆和掺有68%掺量粉煤灰砂浆抗压和抗折强度的影响。结果表明,GO的掺入提高了水泥砂浆和粉煤灰水泥砂浆的抗压、抗折强度,0.03%掺量GO对砂浆强度的提升效果最佳。综合分析来看,GO主要提高了水泥砂浆早期的强度,GO对粉煤灰水泥砂浆后期强度的影响更加明显。3、通过化学结合水含量、热重分析、X射线衍射和扫描电镜系列水化微观试验探究GO对砂浆强度的增强机理。结果表明,GO主要提高了水泥在水化早期的反应速率,GO促进了水泥浆体化学结合水和CH的生成,有利于在3d龄期形成更致密的微观结构。GO主要促进了水化后期粉煤灰的二次水化反应,随着GO的掺入,浆体化学结合水含量提高,CH含量则在水化后期呈现更快下降的趋势,并且粉煤灰颗粒在水化后期有更多水化产物粘附。另外,GO能起到细化水泥浆体和粉煤灰水泥浆体CH微晶尺寸的作用。GO对水泥和粉煤灰水化反应的影响有利于砂浆的力学强度。4、采用GO改性UHTCC,研究不同掺量GO(0-0.05%)在14d、28d和56d龄期对UHTCC抗折性能、抗压性能、二次抗压强度以及单轴拉伸性能的影响,并采用压汞仪和扫描电镜测试表征UHTCC微观性能。结果表明,0.01%掺量GO是本研究的最优掺量,UHTCC在28d龄期的抗折强度、抗压强度、初裂拉伸强度、极限拉伸强度、极限拉伸应变相比未掺GO组别分别提高了20.87%、18.18%、26.97%、31.28%和23.25%。压汞仪测试结果表明适当掺量GO改善了UHTCC的孔隙结构;扫描电镜测试在掺有0.01%掺量GO的UHTCC断面处纤维观察到更多水化产物粘附,这有利于提高纤维和基体间的粘结。
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