紫外光原位还原氧化石墨烯及其改性水泥砂浆的性能研究

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水泥基复合材料是建筑工程领域中最广泛的建筑材料之一,当代工程领域对材料的要求不断提升。水泥基复合材料由于存在抗折强度低、易腐蚀等缺点,难以满足现代工程的需求,限制了水泥基复合材料在工程领域的应用。近年来新型二维石墨烯材料为水泥基复合材料的发展提供了一种全新思路,有望突破水泥基材料的应用限制。氧化石墨烯(GO)和还原型氧化石墨烯(RGO)是目前石墨烯改性水泥基材料研究的两种材料。GO和RGO都属于纳米石墨烯的衍生物之一,有着比表面积大、高强度等优点。GO与RGO在富钙高碱性的水泥水化环境中极易团聚,因此需要深入研究GO与RGO在水泥水化环境中的分散能力,从而最大限度发挥石墨烯对水泥基材料的增强效率。本文使用聚羧酸类减水剂(PCE)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)两种物质作为分散剂,研究PCE与SDBS对GO和紫外光还原氧化石墨烯(URGO)在饱和氢氧化钙(CH)水溶液的分散性能,进而研究了PCE/SDBS分散的石墨烯改性水泥基材料的力学性能和不同腐蚀溶液中的耐久性能,主要研究结论如下:(1)通过紫外-可见分光光度计(UV-vis)对SDBS以及PCE分散URGO在饱和的氢氧化钙(CH)水溶液中进行分散性试验,研究结果表明当SDBS和GO之间的质量比为3:1时,在通过500W紫外光下还原12h,得到的URGO溶液有较好的稳定性,并在饱和CH水溶液中表现出较好的分散能力。(2)采用Zetasizer Nano粒度仪、原子力显微镜(AFM)、HRTEM、UV-vis、拉曼光谱等手段对制备的URGO的结构进行分析。研究结果表明,当SDBS与PCE跟GO质量比分别是3:1和4:1得到URGO具有良好的分散效果,URGO上的含氧基团数量大大降低了,层数3-4层。(3)研究了不同URGO掺量(0、0.01、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%wt,占水泥质量百分比,下同)对水泥砂浆力学性能的影响。对SDBS助分散URGO体系,当其掺量为0.03wt%,改性水泥砂浆的3d与28d抗折强度分别提升了13.73%和17.74%、抗压强度分别提升了8.34%和10.5%。对PCE分散URGO体系,当其掺量为0.03wt%时,其改性水泥砂浆的3d与28d抗折强度增长率分别为12.5%、18.03%;抗压强度增长率分别为8.3%和8.23%。SEM分析表明石墨烯改性的水泥砂浆中呈现出花状团簇的形态,表明良好分散的URGO可提供成核位点,可以调控水泥水化的形貌,使其能够规整的生长并填充水泥砂浆的孔隙;URGO可发挥桥接作用,缩减微裂纹的生成与扩展。(4)研究了不同URGO掺量对水泥砂浆耐久性性能的影响。掺量0.03wt%URGO改性水泥砂浆在硫酸盐干湿循环试验中表现出最优的抗侵蚀能力。URGO掺量为0.03wt%时改性水泥砂浆氯离子迁移系数最小,分别降低了17.6%与7.4%。腐蚀后的样品SEM测试表明SDBS与PCE分散URGO水泥砂浆抵抗部分外界侵蚀,内部结构密实,从而提升水泥基材料耐久性。
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