氧化石墨烯在水泥基材料中性能研究进展

付文堂 范志宏 刘文昌

（1.广州大学土木工程学院，广东 广州 510006；2.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510220；3.广州番禺桥兴建设安装工程有限公司，广东 广州 511400）

随着社会的不断进步和发展，我国的建筑产业正发挥着越来越重要的作用，其主要组成部分水泥基材料的应用也在不断拓宽。众所周知，纳米材料是粒径为纳米级的超细材料，其引入可以给许多物质赋予了非常优异的性能。所以，纳米材料给我们开发研究传统建筑材料如水泥和混凝土等建筑材料方面提供了一种的新方法。

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，是现如今人们已知材料中强度最高、韧性最好、比表面积最大的材料，但由于其价格昂贵且具有不亲水，易团聚，较难分散的特点，在一定程度上制约了石墨烯在水泥基材料中的应用。而氧化石墨烯（Graphene Oxide，简称GO）是由石墨氧化制备石墨烯的中间产物，其结构与石墨烯大体相同，且较容易被分散制备，所以在某种程度上，GO已成为替代石墨烯的最佳选择。GO是由在C-C原子之间的SP2混合结构形成的单个原子层组成（厚度仅为0.34 nm），是一种单层二维褶皱晶体材料，排列成蜂窝状，具有多个含氧官能团，如羟基，羧基，羰基，环氧基等，因此具有两性分子的特性[1]。基于上述GO的优良特性，人们尝试将其应用到土木建筑材料领域中，并对其进行了大量的分析研究，取得了一些重要的研究成果。本文主要从氧化石墨烯在水泥基材料中的性能等方面的研究成果进行综述。

1 氧化石墨烯在水泥基材料中的改性研究

关于GO在水泥基材料中的性能，许多学者已经通过将GO添加到水泥基材料中的研究发现它对其机械性能，耐久性，电磁性能和压敏性能都有重要影响。当前GO在水泥基材料的研究内容主要集中在以下三个方面：（1）掺入GO对水泥基材料工作性的影响；（2）掺入GO对水泥基材料力学性能的影响；（3）掺入GO对水泥基材料耐久性的影响。

1.1 氧化石墨烯对工作性的影响

随着我国高层大跨度结构的飞速发展，现代施工对混凝土工作性正不断提出更高的要求，对于性能优异的功能材料GO对水泥基材料工作性方面的研究也越来越多，一些主要的研究成果如下：

Wang等[2]系统地研究了GO对水泥基复合材料流动性的影响。掺入GO使水泥浆的流动性整体降低，黏度迅速增加，凝结时间相应减少。Wang通过试验表明，与基准样品相比，水泥浆流动性降低了70%，黏度增加了1 850%，初凝时间缩短了23.5%，终凝时间减少9%，他认为GO的掺入会导致水泥基材料工作性变差。

吕生华等[3]采用氧化法和超声波分散技术制备了GO纳米分散体，研究了GO对水泥流动性的影响。试验结果表明GO掺量为0.01%、0.03%、0.05%、0.07%和0.09%时，保持水泥浆的流动性在200 mm以上所需的减水剂PC的量分别为0.24%、0.28%、0.32%、0.36%和0.4%。他得出GO的掺入降低了净浆流动性的结论。

综上所述，GO的掺入会使得水泥基复合材料流动性降低，与此同时，虽然目前已有研究涉及关于提高水泥基复合材料的流变性能[4-6]，但仍没有解决GO导致其流动性降低的问题，尤其当用于混凝土的制备时，粗骨料的加入导致整个体系的摩擦阻力增大，进一步导致施工困难。因此，提高混凝土的工作性、减少坍落度损失，以及提升现代混凝土的服役性能是当前迫切需要解决的问题。

1.2 氧化石墨烯对力学性能的影响

目前，虽然关于GO水泥基复合材料力学性能的研究相对较多，但是它们并未涉及长期力学性能的研究，在这些方面还需要我们共同去完善并深入分析讨论。以下是关于GO水泥基复合材料力学性能一些主要相关研究者的试验成果。

蒙飞等[7]在GO在油井水泥基复合材料的应用研究中发现，GO的质量含量为0.05%，与纯水泥浆体硬化体相比，水泥浆体硬化体的抗拉强度，抗弯强度和劈裂抗拉强度分别提高了68.63%，17.44%和159.12%；他认为是由于水泥石在受外力破坏时，氧化石墨层内、层间均出现损伤；一方面氧化石墨层内破坏时其化学键必然断裂而耗能，另一方面氧化石墨层间剥离时需克服层间作用力而耗能，GO主要通过上述两方面的作用增强水泥石力学性能。

吕生华等[8]还发现当GO的掺量为0.03%时，水泥基复合材料的拉伸强度，弯曲强度和抗压强度分别提高了65.5%，60.7%和38.9%。在扫描电镜（SEM）观察下，发现GO对水泥水化的微观结构具有显著影响。他认为是由于GO的加入使水泥水化产物形成花状晶体，增加了内部结构的致密性，从而提高其强度。

Pan等[9]向普通波特兰水泥中添加质量分数为0.05%的GO。抗压强度提高15%～33%、抗折强度提高41%～59%。在扫描电子显微镜（SEM）的观察下，发现微裂纹是高度弯曲的，并且GO的大比表面积增加了水泥的强度。他认为是由于纳米级C-S-H的形成提高了水泥的黏结强度，GO阻碍了微裂纹的形成，由此改善水泥基复合材料的抗压和抗折强度。

Babak[10]研究了GO对水泥复合材料力学性能的改善作用。利用质量分数为0.5%的聚羧酸减水剂将0.1%～2%的GO分散，然后将分散好的GO掺加到水泥中，测定了含0.1%～2%的GO和0.5%聚羧酸减水剂的水泥复合材料的力学强度，并与不含GO的水泥进行了比较，发现水泥砂浆抗拉强度随GO含量的增加而增加，当GO含量达到1.5%时，抗拉强度提高48%。他认为这是由于GO比表面积较大，易被水泥水化产物包裹而加快了水泥水化，形成更多的水化硅酸钙，从而提高了水泥基材料的强度和抗渗性。

综上所述，GO的掺入对水泥基材料力学性能的效果有所差异，这可能与GO尺寸、片层厚度、添加方式、分散情况不同以及是否添加表面活性剂有关，但对水泥基材料力学性能的提高还是显而易见的，因为GO可以通过其自身分子，GO分子和水泥晶体之间的相互作用来改善水泥内部的结构排列，使结构变得更加致密。此外，GO还可以控制水泥水化晶体在晶体内部产生裂缝和空隙中的花状晶体产品，通过填充和交联作用对水泥基材料起到增强和增韧的效果。

1.3 氧化石墨烯对耐久性的影响

水泥基材料的耐久性决定了建筑结构的使用寿命，因此，研究 GO 对水泥基材料耐久性能研究就显得非常重要。水泥基材料的耐久性涉及方面广泛，包括钢筋腐蚀（由氯化物或碳化引起），冻融循环，碱骨料反应和耐腐蚀性等一些方面。虽然现在在此方面有一定程度的研究，但深度和广度分析和相应模型的构建还远远不够，这还需要科研工作者在后续的深入研究。

Mohammed等[11]在氯化钠水溶液中浸泡了不同掺量的GO水泥试块，并在35天后进行了测试。实验结果表明，当加入少量GO（0.01%）时，试样内的氯离子含量极小。他认为是由于GO改善了水泥水化的结构，同时减少了水泥基材料微观结构中的空隙，从而有效地抑制了氯离子的侵入，这样可以有效地保护水泥基体中的钢筋免受腐蚀，从而延长其使用寿命。

杨雅玲[12]研究了不同掺量GO在不同浓度盐溶液中分别在长期浸泡和干湿循环作用下对水泥基材料的耐腐蚀性能的影响。她认为不同掺量GO对水泥基材料耐盐碱腐蚀性能均有着不同程度的提高，当GO掺量为0.03%时，可以非常有效地阻碍氯离子的渗透，从而有效提高水泥基材料的耐腐蚀性能。

综上所述，GO可以改善水泥水化的内部结构，同时可以减少水泥基材料微观结构中的孔隙，从而有效地抑制了氯离子的侵入，延长水泥基材料的使用寿命，同时也保护水泥基体中的钢筋免受腐蚀，从而可以延长建筑物的使用寿命。与此同时，不同掺量GO对水泥基材料耐盐碱腐蚀性能均有着不同程度的提高作用。

2 结语

GO作为一种强度高、韧性好、比表面积大的材料在水泥基材料中性能表现优异，GO的掺入会导致水泥基复合材料工作性降低，但聚羧酸高效减水剂可以解决掺入GO时流动性降低的问题以及在水泥基复合材料分散不均匀的问题；除此之外，GO可以通过其自身分子和水泥晶体之间的相互作用来改善水泥内部的结构排列，使结构变得更加致密，从而增加水泥基材料强度，而且GO还可以增强水泥水化的结构，减少结构内部孔隙，从而有效地抑制了氯离子的侵入，达到增强水泥基材料的耐久性的效果。

尽管如此，GO相对于混凝土外加剂成本而言仍然较高，且实验室的环境条件较为理想，而实际工程的情况较为复杂，这也是制约它在工程实际应用的进一步发展的重要因素，因此，要想让GO大规模用于工程实践可能还有很长一段路要走，但是从另一方面来说，对于有特殊要求的水泥基材料相关领域来说，GO可以凭借其出色的性能让其更好地发挥它的独特价值。