石墨烯改性混凝土的制备及其力学性能和抗冻性能研究_张雪梅.pdf
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1、文章编号:()石墨烯改性混凝土的制备及其力学性能和抗冻性能研究张雪梅,刘荣桂,戴丽,周恺(南通理工学院 建筑工程学院,江苏 南通 ;南通建工集团股份有限公司,江苏 南通 )摘要:以普通硅酸盐水泥 为基体材料,石墨烯为增强材料,制备出了不同石墨烯掺杂量(,和(质量分数)的改性混凝土。研究了石墨烯掺杂量对改性混凝土晶体结构、微观形貌、力学性能和抗冻性能的影响。结果表明,石墨烯的掺杂并未生成新的水化产物,但加速了水化反应的速率,生成的水化产物凝胶填充到混凝土的缝隙中,提高了混凝土的致密性;当石墨烯的掺杂量为(质量分数)时,改性混凝土的孔隙数量最少、密实度最大,其形貌最佳;石墨烯改性混凝土在各养护龄期
2、下的抗压强度均随着石墨烯掺杂量的增加而先增大后减小,在 的养护龄期下,当石墨烯的掺杂量为(质量分数)时,改性混凝土的抗压强度达到了最大值 ;在 次冻融循环后,当石墨烯的掺杂量为(质量分数)时,改性混凝土的质量损失率最小为 ,相对动弹性模量最大为 ,石墨烯改性混凝土的抗冻性能显著改善。综合分析可知,改性混凝土中石墨烯的最佳掺杂量为(质量分数)。关键词:石墨烯;改性混凝土;力学性能;冻融循环;抗冻性能中图分类号:;文献标识码:引言混凝土材料在我国建筑行业中已有超过百年的应用史,其自身拥有着高强度、来源广泛、可加工性能优异和经济实惠等优点。目前,混凝土材料不仅在建筑工程、公路交通、桥梁、隧道工程和水
3、利等方面占据着不可替代的位置,在造船业、机械工业、海洋的开发和地热工程等方面也有着一定的应用。随着我国城市化建设的不断加快,建筑工程对混凝土材料的性能要求不断提高。各种超高层建筑拔地而起,在某些寒冷地区由于白天和夜晚温差较大,导致混凝土构件内部与表面的温差过大,容易产生裂纹,从而影响混凝土的使用寿命。其次,当温度较低时,混凝土往往无法达到设计强度的要求,容易产生质量问题,为了满足各种环境的应用需求,改善混凝土的力学性能和抗冻性能是首要目标 。纳米材料因具有小尺寸效应、表面效应、量子效应和隧道效应等特点在众多领域均有应用,例如纳米纤维、纳米 和纳米氧化石墨烯等材料,将这些纳米材料掺入水泥基材料后
4、,不仅能够有效提高材料的力学性能,还能改善水泥基材料的孔结构,提高材料的综合性能 。近年来,有关混凝土材料的改性研究越来越多。梁圣等 制备了纳米 改性轻骨料混凝土,研究了改性混凝土的力学性能和耐久性,结果表明,纳米 的掺杂有效提高了混凝土的抗压强度和抗折强度,改性混凝土的抗氯离子渗透性能与纳米 的掺杂量成正比,界面过渡区的厚 度 随 纳 米 材 料 掺 杂 量 的 增 加 而 减 小。王 腾 蛟等 制备了不同体积掺杂量的纳米碳纤维改性混凝土材料,研究发现纳米碳纤维能够在混凝土材料中以纤维桥接和填隙的方式改善混凝土的力学性能和耐久性,(体积分数)纳米碳纤维掺杂量的改性混凝土具有最佳的抗渗性和抗碳
5、化性能;抗冻性能测试发现,随着碳纤维掺杂量的增大,质量损失率先增加后减小。曾纪军等 研究了氧化石墨烯对混凝土微观结构及力学性能的影响,结果表明,当氧化石墨烯的掺杂量为 和(质量分数)时,改性混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度分别增加了 和 ;当氧化石墨烯的掺量为(质量分数)时,两者均提高较大,氧化石墨烯的掺杂可以在一等程度上提高混凝土的延性。本文选择石墨烯为增强材料,制备出了石墨烯改性混凝土,并探究了石墨烯的掺杂量对混凝土力学性能和抗冻性能的影响,为制备高强度、高耐久性能的混凝土材料提供了一定的研究基础。实验实验材料普通硅酸盐水泥 :初凝时间为 ,终凝时间为 ,比表面积为 ,禄丰张雪梅 等:石墨烯
6、改性混凝土的制备及其力学性能和抗冻性能研究基金项目:中华人民共和国住房和城乡建设部课题();教育部产学合作协同育人项目();南通理工学院省级科技服务平台培育项目()收到初稿日期:收到修改稿日期:通讯作者:张雪梅,:作者简介:张雪梅(),女,讲师,主要从事新型建筑材料研究。青青防水材料厂,水泥的化学组成如表所示;石墨烯:纯度,厚度为 ,单层片径在 之间,氧含量为,可剥离率,青岛岩海碳材料有限公司;粗骨料:的再生骨料,实验室废弃的混凝土墙、混凝土块等;天然河砂:中砂,表观密度为 ,细度模数为,含泥量为,石家庄驰霖矿产品有限公司;聚羧酸高效减水剂:固含量,减水率为 ,张家口海峰新型建材有限公司;水:
7、自来水。表水泥的化学组成 实验设备射线衍射仪:采用 射线粉末衍射仪,靶 射线源,扫描范围 ,扫描速度为 ,日本岛津公司;冷场扫描电子显微镜:采用 型扫描电镜,日本日立公司;电子万能试验机:,承德市科承试验机有限公司;快速冻融机:,沧州南华试验仪器有限公司;全自动动弹仪:,沧州华屹试验仪器有限公司。样品制备按照 普通混凝土配合比设计规程,设计石墨烯改性混凝土的配合比,结果如表所示。水灰比固定为,石墨烯掺杂量分别为水泥质量的,和,减水剂用量为水泥质量的。制备过程中先将减水剂和石墨烯溶于 水中,超声搅拌 保证分布均匀,随后加入再生骨料、天然河砂、水泥和水,快速搅拌 ,在振动台上振实 次,随后导入模具
8、中在室温下 脱模,在标准养护室(温度为()、相对湿度为)的条件下分别养护,和。表石墨烯改性混凝土的配合比 结果与讨论石墨烯改性混凝土的 测试图为养护 的石墨烯改性混凝土的 图。从图可以看出,水化产物主要由()、钙矾石 、和组成,说明石墨烯的掺杂并未生成新的水化产物。对比可以看出,在 处出现的()衍射峰随着石墨烯掺杂量的增加,强度逐渐增大,石墨烯掺杂的改性混凝土中 和 的衍射峰强度均高于未掺杂的材料,说明石墨烯的掺杂促进了水化反应的进程,大量消耗了水泥中未水化颗粒和,因此和的衍射峰强度降低。和()的衍射峰强度增大,说明水化产物增加,水化反应的速率加快,水化产物的结晶度更高。石墨烯改性混凝土的微观
9、形貌测试图为石墨烯改性混凝土的 图。从图()可以看出,未掺杂石墨烯的混凝土材料中存在裂缝,整体结构比较疏松,水化产物的尺寸大小不均,当混凝土受力时,裂纹容易萌生和扩展。从图()()可以看出,随着石墨烯掺杂量的增加,裂缝数量明显减少,改性混凝土的结构更加致密紧凑,这是因为石墨烯的掺杂促进了水化反应的进程,使水化反应的速率增加,导致()凝胶的数量增加,而生成的凝胶填充到了图石墨烯改性混凝土的 图 混凝土的缝隙中,有助于将骨料更好地包覆。从图()可以看出,当石墨烯的掺杂量为(质量分数)时,改性混凝土的孔隙数量最少、密实度最大,其形貌最佳。这是因为适量石墨烯的掺入能够在混凝土中形成“网格结构”,从而将
10、水化产物凝胶更好地结合,使得混凝土的形貌结构得到改善。石墨烯改性混凝土的力学性能测试将石墨 烯 改 性 混 凝 土 试 样 制 备 成 的立方体,根据 普通混凝土力学性能试验方法标准,进行抗压强度测试,试样养护时间分别为,和,年第期()卷图石墨烯改性混凝土的 图:();()(质量分数);()(质量分数);()(质量分数):();();();()电子万能试验机的加载速率为,测试结果图所示。图为石墨烯改性混凝土在,和 养护龄期下的抗压强度。从图可以看出,石墨烯改性混凝土在各养护龄期下的抗压强度均随着石墨烯掺杂量的增加而先增大后减小。在 的养护龄期下,未掺杂石墨烯的混凝土的抗压强度最低为 ,当石墨烯
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