【摘 要】
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水泥混凝土是当今用量最大的建筑材料,其在房建、水利和桥梁等工程都有广泛的应用,水泥作为水泥基材料的主要组成,其与水接触后凝结硬化,在这过程中水泥熟料矿物会与水发生一系列复杂的物理化学反应生成多种水化产物,其水化产物是其强度的来源,水泥石内部存在的微裂缝与微小孔洞导致耐久性差等问题。氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)是石墨烯氧化后的产物,具有优异的力学性能,具有高比表面积和表面活性,可
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水泥混凝土是当今用量最大的建筑材料,其在房建、水利和桥梁等工程都有广泛的应用,水泥作为水泥基材料的主要组成,其与水接触后凝结硬化,在这过程中水泥熟料矿物会与水发生一系列复杂的物理化学反应生成多种水化产物,其水化产物是其强度的来源,水泥石内部存在的微裂缝与微小孔洞导致耐久性差等问题。氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)是石墨烯氧化后的产物,具有优异的力学性能,具有高比表面积和表面活性,可以与水泥基材料产生物理和化学的相互作用,以此可以从根本上改善水泥基材料的性能,使得其在增强水泥基材料的性能方面引起了广泛关注。因此在水泥基材料中添加氧化石墨烯,改善复合材料的微观结构,从而增强水泥基复合材料的力学性能。目前制备氧化石墨烯最常用方法为Hummers法,成本较高,严重影响了氧化石墨烯在水泥混凝土中的应用。本文采用液相插层剥离法制备了p1GO(d=40~50μm)、p2GO(d=30~40μm)(Peeling Graphene Oxide,液相插层剥离法),采用Hummers化学法制备了h GO(d=10~20μm)(Hummers Graphene Oxide,化学法),通过超声分散处理制得三种氧化石墨烯片层分散液,将其掺入水泥基复合材料中,研究其对水泥基复合材料力学性能的影响。主要的研究结果如下:(1)通过利用丁达尔试验、紫外-可见光分光光度试验研究了超声分散、分散剂加机械搅拌分散、分散剂加超声分散三种分散方式对氧化石墨烯溶液的分散效果的影响,确定了最佳分散方式。研究结果表明:分散剂加超声分散方式的分散效果最佳、其次是分散剂加机械搅拌,单独超声分散效果较差,且分散剂加超声分散与分散剂加机械搅拌分散两种分散方式的分散效果较稳定。(2)本文研究了三种氧化石墨烯的掺入对不同龄期下水泥净浆试块抗压、抗折强度的影响。研究结果表明:三种氧化石墨烯均能提高水泥净浆试样的抗压、抗折强度,随着氧化石墨烯掺量的增加,硬化水泥石的抗压、抗折强度均呈先增大后减小的趋势。三种氧化石墨烯的最佳掺量均为0.02wt%,此时,掺入p1GO、h GO、p2GO的水泥净浆试样3d抗折强度分别提高22.4%、27.4%、34.7%,抗压强度分别提高19.0%、14.6%、23.6%;28d抗折强度分别提高19.8%、16.5%、24.3%,抗压强度分别提高15.9%、11.2%、18.1%。p2GO对水泥净浆力学性能提高作用最为明显,三种氧化石墨烯均能有效地调控水泥早期水化反应的速率,加速早期强度的形成。(3)本文研究了三种氧化石墨烯的掺入对不同龄期下水泥砂浆试块抗压、抗折强度的影响。研究结果表明:三种氧化石墨烯均能提高水泥砂浆试样的抗压、抗折强度,随着氧化石墨烯掺量的增加,硬化水泥石的抗压、抗折强度均呈先增大后减小的趋势。对于抗压、抗折强度指标,三种氧化石墨烯的最佳掺量为0.03wt%;对于抗折强度指标,三种氧化石墨烯的最佳掺量为0.02%,此时掺入p1GO、h GO、p2GO的水泥净浆试样3d抗折强度分别提高12.3%、14.8%、24.5%,抗压强度分别提高14.6%、14.3%、17.1%;28d抗折强度分别提高9.6%、13.2%、21.9%,抗压强度分别提高4.8%、12.5%、15.7%。p2GO对水泥砂浆力学性能提高作用最为明显,三种氧化石墨烯均能有效地调控水泥早期水化反应的速率,加速早期强度的形成。(4)通过SEM和XRD研究了三种氧化石墨烯对水泥净浆的微观结构及水化产物晶态物相的影响。研究结果表明:三种氧化石墨烯掺入均会导致水化产物中CH晶体的含量明显增多,且结构排列更有序,CH晶体微晶尺寸细化,水化产物结构更加致密;早期水化产物中C3S含量大幅减少,C-S-H凝胶增多,尺寸更小,使得硬化水泥浆体内部结构更加均匀致密,达到提高强度与韧性的目的。
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