氧化石墨烯混凝土的声发射检测

李加鹏1，秦 磊1，赵 鹏1，范夕森

(1.济南大学 土木建筑学院，济南 250022；2.山东建筑大学 土木工程学院，济南 250101)

随着混凝土的广泛应用，对于混凝土的性能要求也越来越高，现代高性能混凝土具有早期强度高、耐久性高、良好的和易性(流动性、黏聚性和保水性)以及良好的体积稳定性等优点[1]。现在大多混凝土中常添加多种外加剂、高性能纤维以及矿物掺合料，这些方法一方面没有从水泥水化过程的特点出发，另一方面导致了高性能混凝土生产成本的提高，严重阻碍了高性能混凝土的发展应用。因此，寻求一种提高混凝土[2]性能的低成本方法具有非常大的研究价值。

氧化石墨烯[3-5]作为石墨烯发生氧化反应生成的派生物，具有超高的强度、导电性、比表面积和增韧性，国内外学者对其进行了深入地研究。NOVOSELOV等[6]在2004年分离出单层石墨烯，至此石墨烯在全世界成为研究热点。STANKOVICH等[7]通过共混法制备了石墨烯有机聚合物复合材料，研究显示该种复合材料的阈值比较小，在石墨烯中掺加不同含量的有机物即可研究该复合材料的导电性能。INKYU等[8]发现在水泥砂浆中添加一种特殊形状的石墨烯可以增加其抗压强度，并且在一定范围内，随着其掺量的增加，水泥砂浆的强度与其掺加量成正比。LI等[9]通过试验证明掺加氧化石墨的水泥浆体的电阻系数和抗压强度明显高于普通水泥浆体的。GEETHA等[10]通过对掺加特定量的化学与矿物掺合料的加气混凝土的试验得出结论：当氧化石墨烯的掺量为0.05%时，混凝土的抗压强度提高了20%左右。王辉等[11]通过试验得出：改变石墨烯的掺量可以很好地消除氧化石墨烯与水泥基体界面不相容的问题，而使其过渡界面更加平稳，并指出在石墨烯掺量为0.04%时，界面更加平滑，其抗压强度得到明显提高。吕生华等[12]通过水化反应试验确定了水化反应发生时氧化石墨烯的最佳掺量为25%左右，通过改善其水化产物形状提高了其抗压强度。杜涛[13]通过试验得出了在普通混凝土中掺加氧化石墨烯可以明显减少混凝土的孔隙率以及提高其峰值应力，从而提高其3，7,28d的抗压强度。王健[14]通过研究得出氧化石墨烯的加入可以提高混凝土的抗渗性并增强其抗压、抗折强度，利用X射线衍射分析技术进一步确定了掺加氧化石墨烯的水泥浆体的凝胶更加密实。饶春华[15]分别在水泥砂浆和混凝土中掺入氧化石墨烯，进行了各种力学性能测试，得出掺入氧化石墨烯对砂浆和混凝土的各种力学性能、耐久性、抗压强度等都有提高作用的结论。

尽管目前有很多关于普通混凝土的声发射特性研究，但是关于氧化石墨烯混凝土的声发射特性的研究较少。笔者通过氧化石墨烯混凝土的抗压声发射试验，来研究氧化石墨烯的掺量对混凝土的力学性能、声发射性能参数的影响规律，并探索混凝土的破坏机理，为氧化石墨烯混凝土的声发射特性研究提供理论基础。

1 声发射试验

1.1 试验原材料

试验原材料采用山水集团生产的P.O.42.5普通硅酸盐水泥、西班牙进口的质量分数为0.04%的氧化石墨烯溶液，减水剂采用聚羧酸减水剂粉末(其减水率在25%35%左右，并采用中国ISO标准砂，粗骨料采用直径为525 mm的碎石)。

1.2 试块的制备

制备了不同氧化石墨烯(GO)掺量的6组边长为100 mm的C30立方体试块，聚羧酸系减水剂固体掺量为水泥质量的0.2%，石墨烯的固体掺量分别为水泥质量的0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%。由于试验采用的液体氧化石墨烯水溶液的浓度为4 mg·ml-1，因此需要进行化简，得到加入的液体氧化石墨烯掺量。6组试块的水泥、水、沙子、石子和减水剂的质量相同，分别为3.94 kg,1.85 kg,5.74 kg,12.5 kg,7.88 g，6组试块GO溶液的掺量分别为0,4.6,9.2,13.8,18.4,23 ml。

1.3 试验方案

根据上面列出的相应配比，通过将水泥、沙子、石子、水和不同掺量的GO溶液，按一定配合比混合，经过搅拌、注模、振捣，在1525 ℃的温度和相对湿度在90%以上的潮湿空气中标准养护到相应的龄期，按照要求连接好声发射仪器，连接示意如图1所示。根据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行单轴抗压试验。试验采用的声发射仪型号为DS 5-8 B，声发射传感器型号为RS-5A，两个传感器在混凝土两侧对立放置，用耦合剂将传感器黏贴在打磨光滑的混凝土试块表面上，利用断铅试验检查传感器的耦合情况。通过多次预试验确定了声发射门槛值为45 dB。

图1 声发射仪与压力机连接示意

2 基本力学性能

2.1 力学现象

在混凝土单轴受压试验过程中，各个试块的破坏形态基本一致，都是随着荷载的增加，混凝土表皮开始慢慢剥落，内部裂缝开始慢慢扩展，最终形成贯通裂缝，试块破坏。从破坏形态看，3个未掺加氧化石墨烯的试块都受到了严重破坏，掺加氧化石墨烯的试块的整体性，相对于未掺加的试块的整体性要好得多，各试块的破坏状态见图2。

2.2 力学性能

不同氧化石墨烯掺量的混凝土试块，在不同龄期的单轴抗压强度曲线如图3所示，可见,无论随着龄期的增加还是氧化石墨烯掺量的增加，混凝土强度都是增加的。对于28 d龄期的混凝土，0.01%,0.02%,0.03%,0.04%,0.05% 5种掺量的混凝土抗压强度分别较其未掺加氧化石墨烯时提高4%,8%,14%,24%,35%。这是由于氧化石墨烯的加入会加速水泥的进一步水化，并且对水泥水化产物的形成具有促进作用和模板效应，即形成了更多的水泥结晶产物，这些结晶产物填充了水泥石内部的各类孔隙，使水泥石内部结构更加致密，从而提升了水泥石的抗压强度。

图4 不同氧化石墨烯掺量的混凝土振铃计数率

图2 各混凝土试块破坏图

图3 不同龄期、不同掺量的混凝土抗压强度曲线

3 氧化石墨烯混凝土声发射性能

3.1 声发射振铃计数率分析

不同氧化石墨烯掺量的混凝土振铃计数率如图4所示，从图4可以看出，不论是否掺加氧化石墨烯，混凝土加载破坏试验都可以划分为5部分，声发射振铃计数率与时间的关系曲线的变化趋势相似。在初始压密阶段，声发射振铃计数率都非常低；而后振铃计数率会有一个突然的增加，从一秒几次到一秒几百次(弹性变形阶段)；紧接着在一段微小的波动后，声发射振铃计数率维持在一个较高的水平(塑性变形阶段)；随着试验的进行，声发射振铃计数率开始急剧下降，直到最低点(主裂缝产生)；最后声发射振铃计数率会有一个恢复阶段。显然，振铃计数率突然下降意味着混凝土内部开始形成主裂缝，主裂缝扩展最终形成贯通裂缝，试件破坏。

图5 普通混凝土在相对应力达到40%时的声发射 时域、频域波形图

图6 0.01%GO掺量的混凝土在相对应力达到65%时的 声发射时域、频域波形图

图7 0.02%GO掺量的混凝土在相对应力达到20%时的 声发射时域、频域波形图

图8 0.03%GO掺量的混凝土在相对应力达到70%时的 声发射时域、频域波形图

图9 0.04%GO掺量的混凝土在相对应力达到75%时的 声发射时域、频域波形图

图10 0.05%GO掺量的混凝土在相对应力达到55%时的 声发射时域、频域波形图

图11 不同GO掺量的混凝土优势频率图

3.2 时域、频域分析

图510为不同氧化石墨烯掺量混凝土的部分声发射信号时域、频域波形图。图11 为28d龄期混凝土的氧化石墨烯掺量分别为水泥质量的0，0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%时的优势频率图(优势频率是指大多数的频率分量所处的一个频率范围空间)。由图11可以明显看出：随着氧化石墨烯掺量的增加，混凝土的优势频率越来越高，频带范围越来越宽。例如，对于普通混凝土，其频谱范围比较窄，在20 kHz左右;当掺量为0.01%时，其优势频率增加了一个55 kHz的小波包;随着氧化石墨烯掺量的增加，混凝土的频率范围越来越宽，到了0.05%掺量时，其优势频率的最大频率值已经达到130 kHz。而通过图3可知，随着氧化石墨烯掺量的增加，混凝土的强度越来越高，这也进一步验证了文献[16]的结论：随着混凝土强度的增高，混凝土声发射活动越来越剧烈，混凝土声发射频率也越来越高。

4 结论

(1) 随着氧化石墨烯掺量的增加，混凝土各龄期的抗压强度不断增大，并且破坏时其整体性也比普通混凝土的整体性要好。

(2) 不同氧化石墨烯掺量的混凝土声发射特性不同，根据不同阶段的振铃计数率,可将混凝土的受压破坏过程分为5个阶段，随着氧化石墨烯掺量的增加，初始压密阶段的时间是滞后的，塑性变形的持续时间则先增加后减少。

(3) 随着氧化石墨烯掺量的增加，混凝土的频率范围越来越宽，优势频率的最大值由普通混凝土时的20 kHz增加到0.05%掺量时的130 kHz。