用Hummers法制備了氧化石墨烯（GO）并用超聲波將其分散制備了納米片層分散液，用XRD和AFM 表征了分散的效果。研究了不同含氧量GO 對水泥水化晶體微觀形貌及膠砂耐折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明含氧量為18.65%和25.53%的GO 可使水泥水化產(chǎn)物成為花朵狀微晶體，而且形狀統(tǒng)一、分布均勻，具有顯著的增韌增強(qiáng)效果。

    研究結(jié)果也說明了GO 能夠調(diào)控水泥水化晶體產(chǎn)物的形狀和尺寸，GO 對于水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物具有促進(jìn)作用和模板效應(yīng)。研究結(jié)果對于提高混凝土建筑的抗裂縫和耐久性具有積極的意義。

    1、引言

    混凝土是一類具有高脆性和多孔性的復(fù)合材料，容易出現(xiàn)裂縫、滲透和遭受沖擊損壞等問題。從早期的鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土到目前的依靠各種增強(qiáng)纖維和外加劑的高性能混凝土，其目的都是要提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性，同時(shí)也說明混凝土技術(shù)一直圍繞著提高強(qiáng)度特別是提高韌性的核心在不斷地發(fā)展之中。目前提高混凝土抗沖擊韌性的主要方法是依賴于高強(qiáng)度的鋼材和各種高性能的纖維，實(shí)現(xiàn)提高混凝土強(qiáng)度的同時(shí)提高韌性、降低脆性，其結(jié)果是在提高韌性、降低脆性方面的效果不顯著，卻導(dǎo)致了高性能混凝土的高成本和資源的高消耗。究其原因是人們的研究思路還主要是通過向混凝土中加入各種增強(qiáng)增韌材料來提高強(qiáng)度和韌性，忽視了對水泥水化過程形成的自身結(jié)構(gòu)改變，盡管有人發(fā)現(xiàn)超細(xì)石灰石、納米SiO2、超細(xì)粉煤灰等摻入混凝土中，具有促進(jìn)水泥C3S水化產(chǎn)物鈣礬石（AFt）、硫鋁酸鈣（AFm）、氫氧化鈣（CH）、凝膠體（C-S-H）等形成微晶體而顯示增韌增強(qiáng)的效果，但這種增韌增強(qiáng)的效果有限。因此，尋求一種通過調(diào)控水泥水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對混凝土的增強(qiáng)特別是增韌是很有意義的事情。

    氧化石墨烯（GO）是石墨的氧化產(chǎn)物，具有超高的強(qiáng)度和柔韌性，具有超大的比表面積，結(jié)構(gòu)中含有羥基、羧基、環(huán)氧基等基團(tuán)（見圖3），容易形成納米分散片層，容易與聚合物、陶瓷等形成插層復(fù)合物，具有明顯的增強(qiáng)增韌作用。本文采用Hummers法和超聲波分散方法制備GO 納米片層分散液，主要研究不同氧化程度GO 對于水泥水化晶體產(chǎn)物的形狀的調(diào)控作用及其與耐折抗壓強(qiáng)度的影響。

    2、實(shí)　驗(yàn)

    2.1、材料、試劑和儀器

    石墨（粒度<30μm）、濃硫酸（H2SO4，98%）、高錳酸鉀（KMnO4）、硝酸鈉（NaNO3）和雙氧水（H2O2，30%）均為分析純，由陜西華星實(shí)驗(yàn)科技有限公司提供；聚羧酸系減水劑（PC，20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)））、聲威水泥（ShengweiP.O.42.5R）和標(biāo)準(zhǔn)砂均由陜西天皓混凝土工程有限公司提供。

    DYYB-500型超聲波材料分散器，上海德洋意邦儀器有限公司制造。X 光衍射儀（XRD）D/max2200PC，日本理學(xué)公司制造。SPI3800N/SPA400原子力顯微鏡（AFM），日本精工制造。傅立葉紅外光譜（FTIR）儀VECTOR-22，德國布魯克公司生產(chǎn)。HITACHIS-4800型掃描電子顯微鏡（SEM），日本日立公司制造。JES-300型膠砂抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)，無錫錫東建材設(shè)備廠。

    2.2、氧化石墨烯的制備

    在攪拌下依次向置于冰浴的1000mL三口燒瓶中加入濃硫酸60mL、石墨6g和NaNO32g，攪拌均勻后分次緩慢加入14gKMnO4，待溶液呈紫綠色后在5℃下繼續(xù)攪拌反應(yīng)1h，然后升溫至35℃攪拌反應(yīng)12h或者更長一些的時(shí)間，再緩慢加入200mL去離子水，升溫至60℃，補(bǔ)加500mL 去離子水，然后慢慢加入30mL雙氧水，顏色由棕色變?yōu)辄S色，趁熱抽濾，用去離子水反復(fù)洗滌至pH 值約為7，得到GO。將含有GO的水在325W 超聲分散1h，得到納米GO 懸浮液（GO），保存?zhèn)溆谩O 納米分散液制備示意見圖1。

    GO 制備及分散過程示意

    
    圖1　GO 制備及分散過程示意圖

    2.3、水泥膠砂的制備

    按照水泥450g、標(biāo)準(zhǔn)砂1350g、水155g、PC0.9g（固體摻量）、GO0.09g（固體摻量）的比例制備水泥砂漿并放入模具中（尺寸為40mm×40mm×160mm）。在恒溫（20℃）恒濕（相對濕度90%）條件下養(yǎng)護(hù)。

    2.4、檢測方法

    采用KBr壓片法，取3~5mg研細(xì)的GO 樣品與100~200mgKBr粉末在瑪瑙研缽中仔細(xì)研磨后裝入模具中并在高壓下成膜，測定FT-IR圖譜。GO 分散液稀釋后在單晶硅片上成膜，用SEM 測量GO 表面含氧量，用AFM 測定GO 納米片層二維形貌。

    將水泥膠砂試塊在恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)，按照GB/T17617-2007測試抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，壓碎試塊可分別用于SEM 和XRD測試。用于SEM 測定的樣品在真空烘箱內(nèi)于（45±5）℃下烘干5h，取合適樣品在金屬底座上固定及噴金后用于SEM 測定。用于XRD試樣在烘干研磨成細(xì)粉末后過濾除去砂，將細(xì)粉末固定在金屬板上進(jìn)行XRD檢測。

    結(jié)論

    用Hummers法制備了氧化石墨烯（GO），研究了氧化時(shí)間對GO 中含氧量的影響，研究了含氧量為18.65%和25.53%的GO 對水泥水化產(chǎn)物微觀形貌及耐折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明含氧量為25.53%的GO 能夠使水泥水化產(chǎn)物形成密實(shí)的花朵狀微晶體，GO 對水泥水化晶體產(chǎn)物的形成具有促進(jìn)和模板效應(yīng)，其增韌效果大于增強(qiáng)效果，研究結(jié)果對于提高混凝土建筑的耐久性和安全性具有積極的意義。

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