木质素磺酸钠分散水性石墨烯及其对水泥基材料的性能研究

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水泥基材料是世界上应用最广泛的一种结构工程材料,但在水泥水化过程中调控水泥水化反应的物质含量缺少,导致生成的水化产物形貌结构上呈现不规整状态,使水泥基材料成为一种抗折强度不足的脆性材料。水性石墨烯的出现提供了一种解决这些问题的新思路。其中氧化石墨烯(GO)和羟基化石墨烯(HOG)是水性石墨烯的重要组成部分,其自身具有大量含氧官能团以及大的比表面积,掺配水泥基材料可以起到增强增韧的作用。但因水性石墨烯在水泥水化环境中分散能力差导致其对水泥基材料的增益效果不尽人意。目前改善水性石墨烯掺配水泥基材料的分散性研究主要采用掺加聚羧酸类减水剂(PC)和机械搅拌作为水性石墨烯的分散手段。本文研究了木质素磺酸钠(SL)在以饱和氢氧化钙(CH)溶液模拟水泥水化孔隙液环境中协同PC分散GO和HO-G,并研究良好分散后的GO和HO-G对水泥基材料流动性能、力学性能和耐久性的影响,进一步研究了SL分散GO和HO-G改性水泥基渗透结晶型防水材料(CCCW)涂层的抗渗性能。本文主要研究成果如下:(1)GO和HO-G在饱和氢氧化钙溶液(CH)中的分散性研究表明:通过紫外-可见分光光度计(UV-vis)、Zeta电位、原子力显微镜(AFM)测试,得到质量比SL:GO=3:1、SL:HO-G=4:1时,水性石墨烯的分散状态有明显的改善。(2)SL对GO掺配水泥基材料的性能研究表明:加入分散剂SL,可提高GO掺配水泥砂浆的流动度和力学强度。当SL:GO的质量比为3:1、GO掺量为0.03%时,相较于基准试件,SL分散GO使水泥砂浆3d抗压、抗折强度分别提升了39.13%和39.37%,28d抗压、抗折强度分别提升了33.84%和33.48%;扫描电子显微镜(SEM)图像证实了GO对水泥基材料的性能影响取决于其分散的程度,均匀分散的GO可以更好调控水泥水化产物形貌,使其生长的更加规整;X射线衍射(XRD)说明加入GO和SL生成的水泥水化产物的种类是相同的,不同的是生成的水泥水化产物的数量和强度;压汞法(MIP)测试得到当SL与GO的质量比为3:1,GO掺量为0.03%时,水泥砂浆的孔隙率为11.26%,中值孔径和平均孔径之间差异最小。当SL掺量为0.09%、GO掺量为0.03%时,水泥砂浆的质量损失率、强度损失率、氯离子扩散深度以及扩散系数均降低。(3)SL对HO-G掺配水泥基材料的性能研究表明:加入分散剂SL,可提高HO-G掺配水泥砂浆的流动度和力学强度。当SL与HO-G的质量比为4:1、HO-G掺量为0.03%时,相较于基准试件,SL分散HO-G使水泥砂浆3d抗压、抗折强度分别提升了37.69%和17.31%,28d抗压、抗折强度分别提升了33.05%和31.52%。由此表明SL的掺加使GO和HO-G分散性进一步提高,对应的水泥基材料流动性和力学性能有了明显增强。SEM图像证实了均匀分散的HO-G可更好调控水泥水化产物形貌,使其生长更加规整;XRD说明加入HO-G和SL生成的水泥水化产物的种类是相同的,不同的是生成的水泥水化产物的数量和强度;MIP测试得到当SL与HO-G的质量比为4:1,HO-G掺量为0.03%时,水泥砂浆的孔隙率最小为9.84%。当SL掺量为0.12%、HO-G掺量为0.03%时,水泥砂浆的质量损失率、强度损失率均较低、氯离子扩散深度以及扩散系数均降低。(4)GO或HO-G改性CCCW防水材料的抗渗性能研究表明:当SL与GO的质量比为3:1,GO掺量为0.03%时,涂层抗渗压力比最高为366%,相较于单独掺加CCCW的涂层抗渗试件提高了96%;当SL与HO-G的质量比为4:1,GO掺量为0.03%时,涂层抗渗压力比最高为400%,相较于单独掺加CCCW的涂层抗渗试件提高了127%;粉体化GO掺量为0.03%时,涂层抗渗压力比最高为433%,相较于单独掺加CCCW的涂层抗渗试件提高了163%;固定GO掺量为0.03%,当CCCW材料母料掺量为3%时的涂层抗渗压力比最高为446%,较单独掺入CCCW母料的涂层抗渗试件提高了46%。
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