氧化石墨烯掺量及分散性对泡沫混凝土性能的影响研究

弓中伟，王颖

（1.新疆石河子职业技术学院 水利建筑工程分院，新疆 石河子 832000；2.石河子大学，新疆 石河子 832000）

0 引 言

泡沫混凝土是一种由水泥、发泡剂等原材料制备而成的多孔轻质混凝土，具有良好的保温隔热、隔声性能，耐火性好，已被广泛应用于建筑物的墙体保温结构中[1]。然而，泡沫混凝土的多孔结构同时也使其面临强度较低、易开裂、吸水率较高等问题[2]，极大地影响了泡沫混凝土的应用与发展。

氧化石墨烯作为一种二维增强材料，其弹性模量高达1050 GPa。同时，氧化石墨烯具有超大的比表面积，其表面含有大量羧基、羟基等含氧官能团[3]。目前，氧化石墨烯已被广泛应用于水泥基材料中，大量研究表明[4-10]，氧化石墨烯在水泥的水化过程中具有晶核效应、模板效应，可有效改善水泥基材料的物理力学性能。吕生华等[4-6]研究表明，氧化石墨烯可调控水化产物形貌，促使水化产物规整，从而改善水泥基材料的力学性能。王琴等[7]研究表明，氧化石墨烯可调控水化，提高水化放热量，加快水化速率，促使生成更多的水化产物。Pan Z等[8]研究表明氧化石墨烯的掺入提高了基体的曲折度，可有效阻碍裂纹扩展，提高基体力学性能。Mohammed A等[9]研究表明，氧化石墨烯还可改善水泥基材料基体的传输性，从而改善其耐久性。

本文选用氧化石墨烯作为增强剂，研究氧化石墨烯掺量和分散性对泡沫混凝土力学性能、吸水率、干密度和导热系数的影响规律。并通过观察泡沫混凝土的微观结构，探究氧化石墨烯在泡沫混凝土中的作用机理，旨在为泡沫混凝土的制备和发展方向提供参考。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，华润水泥有限公司；粉煤灰：F类Ⅱ级，河南电厂；发泡剂：十二烷基苯磺酸钠，天津市致远化学试剂有限公司；聚羧酸高效减水剂：MX-H型，重庆海煌实业有限公司，减水率20%～25%；氧化石墨烯（GO）：GO100型，片径为1 μm，大连美烯新材料有限公司。

1.2 配合比及试验方法

设计泡沫混凝土的干密度为300 kg/m3，固定水胶比为0.5，配合比如表1所示，氧化石墨烯的掺量分别为胶凝材料质量的0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。

表1 泡沫混凝土的配合比 kg/m3

采用超声分散仪对氧化石墨烯进行预处理，分散时间分别为0、30、120 min，分别记作GO-0、GO-30、GO-120。根据配合比制备泡沫混凝土，实验环境温度为（20±5）℃，相对湿度为（70±5）%。标准环境中养护24 h后脱模，继续养护至28 d。

参照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》，制备100 mm×100 mm×100 mm的试件，测试泡沫混凝土的抗压强度、吸水率和干密度。参照GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》，制备尺寸为300 mm×300 mm×30 mm的试件，测试泡沫混凝土的导热系数。利用扫描电子显微镜（SEM）观察泡沫混凝土的微观形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 氧化石墨烯对泡沫混凝土抗压强度的影响

氧化石墨烯掺量及分散性对泡沫混凝土抗压强度的影响如图1所示。

图1 氧化石墨烯对泡沫混凝土抗压强度的影响

由图1可见，未掺氧化石墨烯的基准组抗压强度为0.7 MPa，而掺入氧化石墨烯后，泡沫混凝土的抗压强度提高至0.74～1.15 MPa，涨幅为5.7%～64.3%。随着氧化石墨烯掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度先提高后降低，当氧化石墨烯掺量为0.6%时，抗压强度均达到最大值，掺入未分散处理的氧化石墨烯的泡沫混凝土的抗压强度为1.0 MPa，较基准组提高43%，掺入超声分散30 min和120 min的氧化石墨烯的泡沫混凝土的抗压强度分别为1.10、1.15 MPa，较基准组提高分别为57%、64%。同时可见，随着分散时间的延长，氧化石墨烯对泡沫混凝土的增强效果愈加显著，分散时间为120 min的氧化石墨烯增强效果最好。此规律与大多纳米材料改性水泥基材料的规律相似，这是由于氧化石墨烯这类纳米材料具有晶核效应[11]，可促进水泥的水化反应，提高其水化程度，使水化产物增多从而改善力学性能。并且，氧化石墨烯是一种二维材料，表面具有大量羟基、羧基等含氧官能团，在水泥的水化过程中可作为水化产物生长的模板，从而使水化产物更加规整，提高基体的力学性能[4]。然而，当氧化石墨烯掺量由0.6%增加至0.8%时，GO-0组和GO-30组的抗压强度呈降低趋势，GO-120组的抗压强度不再提高，这可能是由于氧化石墨烯掺量增大后极易团聚，在水化过程中未分散完全从而形成缺陷造成。

2.2 氧化石墨烯对泡沫混凝土干密度的影响（见图2）

图2 氧化石墨烯对泡沫混凝土干密度的影响

由图2可见，基准组的干密度为315 kg/m3。采用未分散处理的氧化石墨烯进行改性时，泡沫混凝土的干密度随氧化石墨烯掺量的增加而逐渐提高，当掺量为0.8%时干密度最大，为325 kg/m3。这是由于氧化石墨烯的晶核作用和模板效应使水泥的水化更加充分，水化产物生成增多导致。而采用经过30 min和120 min分散处理的氧化石墨烯进行改性时，泡沫混凝土的干密度均随氧化石墨烯掺量的增加呈先减小后增大的趋势，当氧化石墨烯掺量为0.4%时泡沫混凝土的干密度最小，分别为312、306 kg/m3。Shang等[12]研究表明，氧化石墨烯掺入水泥中水泥浆体的流动度降低，屈服应力和塑性黏度增大。因此，掺入氧化石墨烯后泡沫的黏度增大从而具有稳泡的功能，使气泡更加稳定存在，从而使泡沫混凝土的干密度呈降低的趋势。而随着氧化石墨烯掺量继续增大，促使水化产物大幅增多，因此泡沫混凝土的干密度又逐渐增大。并且，采用分散处理时间越长的氧化石墨烯对泡沫混凝土干密度的影响越大，此规律与氧化石墨烯改性泡沫混凝土的力学性能的规律一致，即分散处理可增强氧化石墨烯对泡沫混凝土的改性作用。

2.3 氧化石墨烯对泡沫混凝土吸水率的影响（见图3）

图3 氧化石墨烯对泡沫混凝土吸水率的影响

由图3可见，基准组的吸水率为58%，采用氧化石墨烯改性后泡沫混凝土的吸水率大幅降低。当氧化石墨烯掺量为0.8%时，GO-0、GO-30、GO-120组的吸水率分别降低至30%、30%、25%。王洪里[13]研究表明，氧化石墨烯的掺入使发泡保温试块内的气泡变得细密，微裂纹减少，有害孔数量降低，从而有效改善发泡水泥保温材料的性能。此外，相比于未分散处理的氧化石墨烯，采用分散处理的氧化石墨烯对泡沫混凝土的改性效果更佳，且分散时长延长能进一步提高改性效果。这是因为，均匀分散的氧化石墨烯更能有效稳定气泡，形成更多封闭孔，从而降低泡沫混凝土的吸水率。

2.4 氧化石墨烯对泡沫混凝土导热系数的影响（见图4）

图4 氧化石墨烯对泡沫混凝土导热系数的影响

由图4可见，基准组的导热系数为0.072 W/（m·K），掺入氧化石墨烯时，泡沫混凝土的导热系数随着氧化石墨烯掺量的增加而降低，其中GO-120组氧化石墨烯掺量为0.8%时，泡沫混凝土的导热系数最小，为0.053 W/（m·K），较基准组降低了26.4%。氧化石墨烯的模板效应使水化产物可在其表面生长，有效减少了有害孔的数量，降低孔的连通性，因此泡沫混凝土的导热系数有所降低，保温隔热性能得到提升。但当氧化石墨烯掺量继续增大至0.8%时，GO-0组和GO-30组的导热系数出现小幅增长趋势，此规律未出现在GO-120组，故推测是由于氧化石墨烯掺量较大时的团聚现象，导致晶核作用、模板效应等作用减弱，泡沫混凝土中连通孔数量增多，导致保温隔热性能降低；此外，由于氧化石墨烯这类碳纳米材料自身即具有良好的导热性能，当掺量增大时，氧化石墨烯之间出现团聚堆叠，使泡沫混凝土内部的传热速率相对提高，也一定程度降低了泡沫混凝土的保温隔热性能。

2.5 泡沫混凝土水化产物微观结构分析

试验对比了基准组和掺0.6%超声分散120 min氧化石墨烯的泡沫混凝土的微观形貌，SEM照片见图5、图6。

图5 未掺氧化石墨烯泡沫混凝土的微观结构

图6 掺0.6%超声分散120 min氧化石墨烯泡沫混凝土的微观结构

从图5可见，基准组水化产物中有较多的微裂纹，而从图6（a）可以看出，掺入氧化石墨烯后孔中的微裂纹减少，并且水化产物表面附着大量细小的簇状水化产物，如图6（b）所示，此类水化产物还在微裂纹处生长，故可推测氧化石墨烯发挥了其模板作用使水化产物在其表面生长，生成了更加规整的簇状水化产物，从而改善基体的微观结构，有效降低微裂纹的发展。

3 结 论

（1）氧化石墨烯的掺入可有效提高泡沫混凝土的抗压强度，其中掺量为0.6%时增强作用最显著，相较于基准组，未分散的氧化石墨烯抗压强度提高了43%，超声分散120 min的氧化石墨烯抗压强度提高了64%。当氧化石墨烯掺量继续增大至0.8%时，泡沫混凝土抗压强度呈小幅降低趋势。

（2）掺入氧化石墨烯可有效降低泡沫混凝土的吸水率和导热系数，其中掺入0.8%超声分散120 min的氧化石墨烯泡沫混凝土的吸水率为25%，导热系数为0.053 W/（m·K），相较于基准组分别降低了56.9%、26.4%。泡沫混凝土的干密度随氧化石墨烯掺量的增加呈先减小后增大趋势，掺入0.4%超声分散120 min的氧化石墨烯泡沫混凝土的干密度最小。

（3）氧化石墨烯的掺入使泡沫混凝土水化产物中的微裂纹减少，由于其模板效应生成的簇状水化产物可降低微裂纹的发展。