氧化石墨烯改性水泥基材料研究综述

摘 要：氧化石墨烯（Graphene Oxide，简称GO）是石墨烯的衍生物，因其上官能团增多而具备更为活泼的性质。水泥基材料作为目前使用范围最广的建筑材料，其性能的优化一直是研究者们关注的重点。而GO为一种特殊的纳米材料，因其独特的物理和化学性质，被广泛应用于水泥基材料的改性研究中。这些研究主要集中在GO的制备、分散及其在水泥基材料中的应用效果等方面。这种新型复合材料不仅克服传统水泥基材料的一些固有缺陷，在力学、耐久性等方面展现出显著的优势。

关键词：氧化石墨烯；水泥基；力学特性；微观机理；纳米材料

中图分类号：TU528 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）31-0075-05

Abstract： Graphene Oxide （GO） is a derivative of graphene， which has more reactive properties due to the increased number of functional groups on it. As the most widely used building material at present， the optimization of its performance has always been the focus of researchers. GO is a special nanomaterial. Due to its unique physical and chemical properties， it is widely used in the modification of cement-based materials. These studies mainly focus on the preparation， dispersion and application effect of GO in cement-based materials. This new composite material not only overcomes some inherent defects of traditional cement-based materials， but also shows significant advantages in terms of mechanics and durability.

Keywords： graphene oxide; cement-based; mechanical properties; microscopic mechanism; nanomaterials

随着科技的不断发展和人类对建筑材料性能要求的提高，传统水泥材料在某些方面已经无法满足工程实际需求。因此，寻找一种能够改善水泥基材料性能的新型材料成为了当前研究的热点之一。氧化石墨烯（GO）作为一种新兴的纳米材料，具有许多独特的物理和化学性质，如优异的力学性能、化学稳定性和导电性等[1]。这些优异的性能使得氧化石墨烯成为了改善水泥基材料性能的理想候选材料之一。

如今，人们对纳米材料的基本认知也越发清晰，氧化石墨烯（GO）改性水泥基材料是近年来备受研究关注的一种新型复合材料，氧化石墨烯与水泥基材料进行复合改性，可以显著提高水泥基材料的力学性能、耐久性和抗渗性[2]，从而满足建筑工程对材料性能的更高要求。其已经广泛应用于建筑结构的修复与加固、防水与防腐以及环境污染治理等领域。其中，利用其改性水泥基材料的研究已在土木水利工程领域取得较大进展，如注浆加固、防渗处理等。这些应用证明了氧化石墨烯改性水泥基材料在实际工程中的可行性和有效性。但氧化石墨烯改性水泥基材料的研究仍面临着一些挑战和问题。例如，如何进一步提高氧化石墨烯在水泥基材料中的分散性和稳定性，以及如何降低其生产成本等，这些问题的解决将有助于推动氧化石墨烯在水泥基材料改性领域的更广泛应用。

本文将对氧化石墨烯改性水泥基材料的研究进行全面梳理和分析，旨在为科研工作者提供一个全面了解氧化石墨烯改性水泥基材料的研究现状和发展趋势的平台，为今后的研究和应用提供参考和借鉴，推动该领域的进一步发展和壮大。

1 氧化石墨烯改性水泥基的力学特性

力学性能是水泥基材料的基本性能之一，而掺入氧化石墨烯对水泥基复合材料的力学性能有着显著的影响。传统的水泥基材料常常存在易开裂、韧性差、强度低等问题，而氧化石墨烯的加入可以显著地改善这些缺陷。普遍的实验观点表明，适量的氧化石墨烯掺入能够显著提高水泥基材料的抗压强度、抗折强度等关键力学指标。氧化石墨烯的引入可以有效地促进水泥颗粒之间的紧密结合，填充微孔和裂缝，从而增强了水泥基材料的整体强度和耐久性。此外，氧化石墨烯还能够改善材料的韧性，提高其抗裂性能，延长使用寿命。

氧化石墨烯（GO）纳米层表面富含许多亲水性官能团，使得GO在水中具有良好的分散性能。由于其低成本和广泛适用性，GO被认为是改性碳纤维水泥基复合材料的理想选择[3]。添加氧化石墨烯后，其纳米层上的含氧官能团能够与水分子形成氢键，有助于促进氧化石墨烯在水中的均匀分散。这导致原本不规则的大体积水化产物逐渐细化，分布和排列更加均匀，从而使得硬化浆体的结构更加致密，进而增强了水泥基体的强度。

表1为不同研究者研究氧化石墨烯的不同掺量对水泥基材料抗压和抗折性能影响。值得注意的是，氧化石墨烯的改性效果与其掺入量、分散性以及与水泥基材料的相互作用等因素密切相关，适量的掺入量和良好的分散性能够充分发挥氧化石墨烯的改性效果，而过多的掺入量还可能会导致材料的性能下降。GO和碳纤维对水泥基材料的增强效果能够相互补充[11]。因此，针对GO改性碳纤维，进行了改性水泥基材料的实验。将经过两种物质改性的水泥基材料与单独GO掺量的水泥基材料的强度进行了对比。图1显示混合GO和碳纤维的水泥基复合材料的抗压和抗拉强度均有所提高。

2 氧化石墨烯改性水泥基的耐久性

随着工程建筑行业的进步和发展，如超高层建筑、跨海大桥和港口等建筑设施的涌现，对混凝土材料的性能和质量提出了更严格的要求。传统的普通混凝土虽然具有一定的耐用性和设计灵活性，但其存在着脆性大、韧性不足、弯拉强度小等缺点。这些缺陷在现代大型工程中可能导致安全隐患和使用寿命的缩短，因此需要寻求更具优越性能的建筑材料来满足挑战性的工程需求。氧化石墨烯改性水泥基材料的出现为解决这一难题提供了新的思路。相比传统混凝土，氧化石墨烯改性水泥基材料具有更高的强度、更优异的韧性以及更好的抗压强度和抗拉强度。其强化效果可以显著提高混凝土材料的力学性能，使其能够承受更大的荷载和外部环境的影响，从而增强了工程结构的耐久性和安全性。在超高层建筑等大型工程中，材料的耐久性是至关重要的。由于氧化石墨烯改性水泥基材料具有优良的导热性和导电性，可以有效地减少温度差异和应力集中，降低了材料在极端环境下的受损风险。此外，其良好的耐磨性和耐腐蚀性也使其在海岸线建筑、港口工程等特殊环境中表现出色。

如今，已有大量学者对氧化石墨烯的耐久性进行了研究。王雪枫等[12]人通过电泳沉积法，制备了GO-CF杂化纤维，并研究了GO、CF以及GO-CF水泥基复合材料的抗冻性能。试验表明，掺入GO可以有效改善了水泥砂浆试件的抗冻性能，其中0.07%的掺量表现最佳。在不同冻融循环下，试件的抗压强度有所下降，但GO-CF水泥砂浆试件的强度损失率明显低于CF水泥砂浆试件。因此，使用氧化石墨烯改善碳纤维表面性能可提升碳纤维水泥基复合材料的抗冻性。雷斌等[13]进行了关于氧化石墨烯掺量对再生混凝土抗冻性能的研究。他们发现随着氧化石墨烯掺量的增加，再生混凝土的抗冻性呈现先下降后上升的趋势。当氧化石墨烯掺量为0.06%时，再生混凝土的抗冻性能达到最佳状态。

此外，氧化石墨烯的加入还可以降低混凝土的渗透率，并增强混凝土的耐久性。根据Hassani等[14]的研究，氧化石墨烯有助于促进水泥C-S-H水化产物的生长，并且与水泥基体结合良好，显著降低了水泥基体的渗透性。Mohammed等[15]的研究表明，向水泥砂浆中添加少量的氧化石墨烯（0.01%）可以有效阻止氯离子的渗透，因为氧化石墨烯的特殊层状结构能够在水泥基体中形成类似“海绵结构”的三维形态，从而有效地捕获氯离子。李相国等[16]采用复合掺入氧化石墨烯和聚乙烯醇（PVA）纤维的方法，提高了水泥基材料的抗渗性能，氯离子的扩散系数可达3.4×10-12 m2/s。杨雅玲等[17]将试样放入复合盐溶液中长期浸泡后的能谱图与元素含量表如图2所示，且将图2（a）与图2（b）进行对比，氧化石墨烯改性的水泥砂浆内部结构含有大量的C-S-H凝胶，能显著提高水泥砂浆的耐腐蚀性能。

3 氧化石墨烯改性水泥基材料的微观机理

根据微观作用机理，氧化石墨烯对水泥基材料的改性主要表现在其能够改变水泥基材料的微观结构，从而改善水泥基材料的性能[18]。具体而言，氧化石墨烯的添加可以促进水泥颗粒之间的紧密结合，填充水泥基材料中的微孔和裂缝，从而提高其密实性和抗渗性。此外，氧化石墨烯还能够增强水泥基材料的力学性能，如提高抗压强度和抗拉强度，延长材料的使用寿命。

吕生华等[19]的研究发现，添加氧化石墨烯能够有效促进水泥水化产物的生成，并调节水化产物呈现为规整的花状结构。这种独特形态对水泥的微观结构起到致密化作用，有助于提升水泥基材料的功能特性。

程思嫄等[20]人通过XRD、红外光谱、微观形貌测试等手段，在水泥基注浆材料中掺入不同掺杂量（0.02%、0.04%、0.06%）的氧化石墨烯。测试结果表明，掺杂氧化石墨烯的试验组力学性能高于未掺杂氧化石墨烯的对照组。且掺杂量超过0.06%时，改性材料的各阶段抗压强度开始逐渐下降，过高的GO掺量会导致水化产物尺寸不均匀，产生局部团聚，不利于应力传递。

董健苗等[21]运用分子动力学模拟技术构建了氧化石墨烯分子结构模型，进一步优化了GO/CH界面结构模型，模拟出了水化反应时GO的成核效应。测试结果表明，氧化石墨烯能有效减少水泥基材料内部的孔隙，提升水泥基材料的力学性能。

Lv等[22]通过吸附试验和微观形貌表征相结合的方法研究了GO与钙质砂的相互作用。吸附材料的形貌和结构如图3所示。图中显示钙质砂呈针状和板状晶粒，其表面和内部有许多空腔，有利于其对GO的吸附。

4 结论

综上所述，氧化石墨烯作为一种独特的碳纳米材料，在材料改性方面具有广阔的应用前景。通过优化其掺入量和分散性等参数，进一步提升现实状态下水泥基材料的抗压强度、抗拉强度以及抗弯强度等关键力学性能指标。同时，改善水泥基材料的界面过渡区，减少气孔和微裂纹的形成，从而提高其耐久性和使用寿命。未来，氧化石墨烯改性水泥基材料有望应用于更多领域，如高层建筑、桥梁、隧道等重要工程结构。GO水泥基材料将不仅仅作为一种结构性的材料，更有望被赋予功能属性，如自动公路引导、交通管控等。同时，随着绿色建筑和可持续发展的理念深入人心，这种环保且性能优异的新型材料将受到更多关注。目前的研究尚未实现GO的高效率分散。对于GO分散的方法需要更加精细的研究，以实现高效、大规模、高质量的GO分散。这将推动GO水泥基复合材料在实际生活中的应用和生产。总之，氧化石墨烯改性水泥基材料的研究和应用具有广阔的前景和潜力。随着科技的进步和研究的深入，这种新型材料将在未来发挥更加重要的作用，为建筑、道路等工程领域提供更为可靠和高效的解决方案。

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