氧化石墨烯改性水泥的制备及力学性能研究

张 慧，张 超

（陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳712000）

前 言

目前在建筑行业应用最为广泛的建筑材料就是水泥，各种工程项目中都能看到它的身影，可以说水泥已经成为城市建设的基础材料。然而水泥并不是坚不可摧的，随着时间的流逝与环境因素的影响，水泥会受到各种破坏和侵蚀，这不仅会加重环境与经济方面的负担，甚至可能会对建筑安全造成影响。提升水泥的耐久性从而对其服役寿命进行延长对于建筑材料领域的发展具有非凡的意义[1]。在水泥使用寿命的延长中，其耐久性的提升是最为核心的因素，特别是在海洋等复杂环境下水泥的耐久性往往会面临很大的挑战。水泥受到破坏和侵蚀的原因主要有氯盐离子以及各种离子的侵蚀作用、硫酸盐的腐蚀作用、碱集料反应作用、冻融破坏作用以及碳化作用等[2]。这些作用的发生均与碳酸盐侵蚀混凝土以及硬化浆体中的孔隙进入二氧化碳有关，此时二氧化碳会遇水生成碳酸，碳酸不稳定，碳酸根离子会与浆体孔隙中的碱性溶液物质发生化学反应，生成不溶于水的碳酸盐，使溶液自身的pH值降低，破坏保护水泥表面的致密层，对水泥造成侵蚀[3]。

有关研究证实，只有将水泥pH值保持在大于11.5的状态，才能保证其不受到侵蚀。为了保持该pH 值，需要保证水泥不产生干缩。水泥的干缩与自身的材料含水量以及环境的具体湿度有关，水泥发生干缩现象后，其内部会出现裂纹，此时侵蚀离子会将该裂纹当成渗透通道，破坏水泥基体整体的耐久性[4]。为了降低水泥发生干缩的几率，2004 年石墨烯通过微机械剥离方式被成功制备出来，获取了极大关注。然而由于石墨烯的材料特性使其难以在水泥中均匀分散，因此人们将目光转向了氧化石墨烯。

文献[5]采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯，制备功能填料，将其填充到水性环氧树脂中制备复合涂层。采用FTIR、XRD、氮气吸附脱附和TEM 对填料进行了表征，测试了防腐性能及力学性能。得到的结果为复合涂层的防腐性能优于纯环氧涂层，表明了氧化石墨烯材料的性能较好。文献[6]使用水热法制备了具有良好光致发光和磁性的3D 还原氧化石墨烯材料。使水凝胶脱水以进行保存，升华过程使用冷冻干燥法保持孔隙率。通过引入Tb离子，氧化石墨烯材料被赋予了顺磁性和绿色光致发光特性，这也增强了氧化石墨烯材料的性能。

通过氧化石墨烯对改性水泥进行制备能够成功克服水泥材料的缺陷，基于此本文提出一种氧化石墨烯改性水泥的制备方法并对其进行力学性能研究。

1 研究对象与研究方法

1.1 研究材料

研究中采用的具体试剂与原料如表1 所示。

表1 研究中采用的具体试剂与原料Table 1 The reagents and raw materials used in the study

1.2 研究设备仪器

研究中使用的设备仪器具体如表2 所示。

表2 研究中使用的设备仪器Table 2 The equipment used in the study

1.3 研究方法

首先需要利用Hummers 改性法对氧化石墨烯进行制备，具体制备步骤分为三步，第一步是氧化，向持续搅拌的三口烧瓶内依次加入鳞片石墨9g、硝酸钠3g、浓硫酸150mL。将该三口烧瓶放置在混合的冰水浴中，将其中的溶液持续搅拌至均匀并缓缓倒入高锰酸钾9g（尽量缓慢）。完成加料后，把反应装置放进恒温水浴内（温度保持在35℃），对其进行4h的持续搅拌。接着向其中倒入制备的去离子水150mL，并将其放入油浴中（温度为98℃），保持温度15min，完成反应后缓缓将获取的反应产物倒进烧杯中，该烧杯盛有制备的去离子水，并利用制备的去离子水对三口烧瓶进行反复清洗[7～8]。最后向烧杯内倒入浓度为30%的过氧化氢15mL，直至反应终止。

第二步是纯化，放置氧化获取的石墨产物约1d时间，等待产物完全在烧杯底部沉淀，将上层的清液倒掉，利用高速台式离心机对下层产物实施多次离心清洗，每次平均清洗约10min，高速台式离心机的转速保持在每分钟万转[9]。将获取的离心产物放入透析袋内，利用制备的去离子水对其进行透析直到去除杂质离子如硫酸根等。

第三步是剥离，在透析袋中将氧化石墨去除并放入烧杯，加入制备的去离子水，均匀搅拌后，通过超声波破碎仪对其进行超声约2h，获取稳定均匀的氧化石墨烯分散胶体液，完成氧化石墨烯的制备[10]。

氧化石墨烯的具体制备流程如图1 所示[11]。

图1 氧化石墨烯的具体制备流程Fig. 1 The preparation process of the graphene oxide

利用制备的氧化石墨烯来制备氧化石墨烯改性水泥[12]。制备中使用的水泥的具体化学成分如表3 所示。

表3 水泥的具体化学成分Table 3 The chemical compositions of cement

氧化石墨烯改性水泥稳定制备首先需要对氧化石墨烯进行称量，并在去离子水中分散称好的氧化石墨烯[13]。利用玻璃棒对其进行搅拌，并置于超声波式清洗器中对其进行1h 超声。然后在净浆搅拌锅内倒入均匀分散的氧化石墨烯胶体，并倒入水泥对其进行均匀搅拌[14]。对获取的水泥浆体进行成型养护，从而完成氧化石墨烯改性水泥的制备。

完成制备后，对氧化石墨烯改性水泥进行力学性能测试，包括抗压强度与抗折强度实验。利用行星球磨机、分析用电子天平、恒温电热鼓风干燥箱等仪器将氧化石墨烯改性水泥制成试块，试块具体制作尺寸为40mm×40mm×160mm。操作的具体步骤为在模具内装入均匀搅拌的氧化石墨烯改性水泥净浆，并将模具放入标准养护箱中对其进行养护，具体的养护条件是将相对湿度控制在95%左右，并将温度控制在20℃以上。第二天对其进行脱模，并继续将试块放入养护箱中进行养护，直至试块到达一定龄期之后，通过万能电子试验机对试块进行力学性能测试[15]。分别测试氧化石墨烯改性水泥试块在氧化石墨烯掺量为0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%、0.12%时的抗压强度与抗折强度，并与水泥进行对比。

1.4 统计与分析

利用数据处理软件对实验结果数据进行记录与处理，并利用方差单因素分析方法分析实验数据，将P＜0.01 作为非常显著性差异，将P＞0.05 作为显著性差异。

2 结果分析与结论获取

2.1 抗压强度实验结果分析

制备的氧化石墨烯改性水泥抗压强度实验结果具体如表4 和表5 所示。

表4 7d 时氧化石墨烯改性水泥抗压强度实验结果Table 4 The compressive strength test results of graphene oxide modified cement after 7 days

表5 28d 时氧化石墨烯改性水泥抗压强度实验结果Table 5 The compressive strength test results of graphene oxide modified cement after 28 days

根据表4 与表5 的氧化石墨烯改性水泥抗压强度实验结果可知，制备的氧化石墨烯改性水泥在氧化石墨烯掺量逐渐提升的情况下，其抗压强度也呈现逐渐上升的态势，并在氧化石墨烯掺量为0.1%时实现抗压强度的大幅突破，在氧化石墨烯掺量为1.0%时达到最大抗压强度。并且氧化石墨烯改性水泥的抗压强度一直大于水泥。

2.2 抗折强度实验结果分析

制备的氧化石墨烯改性水泥抗折强度实验结果具体如表6 和表7 所示。

表6 7d 时氧化石墨烯改性水泥抗折强度实验结果Table 6 The flexural strength test results of graphene oxide modified cement after 7 days

表7 28d 时氧化石墨烯改性水泥抗折强度实验结果Table 7 The flexural strength test results of graphene oxide modified cement after 28 days

根据表6 与表7 的氧化石墨烯改性水泥抗折强度实验结果可知，制备的氧化石墨烯改性水泥在氧化石墨烯掺量逐渐提升的情况下，其抗折强度也有所提升。在氧化石墨烯掺量为0.06%时抗折强度达到最高，随后抗折强度呈现下降趋势，但仍一直大于水泥的抗折强度。

3 结 论

氧化石墨烯改性水泥的制备实现了水泥抗压强度与抗折强度这两种力学性能的提升，通过实验分析得出，在氧化石墨烯掺量为1.0%时达到最大抗压强度，掺量为0.06%时达到最高抗折强度，这一结果对建筑行业的发展有很大意义。