張 慧，張 超

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng)712000）

前 言

目前在建筑行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的建筑材料就是水泥，各種工程項(xiàng)目中都能看到它的身影，可以說(shuō)水泥已經(jīng)成為城市建設(shè)的基礎(chǔ)材料。然而水泥并不是堅(jiān)不可摧的，隨著時(shí)間的流逝與環(huán)境因素的影響，水泥會(huì)受到各種破壞和侵蝕，這不僅會(huì)加重環(huán)境與經(jīng)濟(jì)方面的負(fù)擔(dān)，甚至可能會(huì)對(duì)建筑安全造成影響。提升水泥的耐久性從而對(duì)其服役壽命進(jìn)行延長(zhǎng)對(duì)于建筑材料領(lǐng)域的發(fā)展具有非凡的意義[1]。在水泥使用壽命的延長(zhǎng)中，其耐久性的提升是最為核心的因素，特別是在海洋等復(fù)雜環(huán)境下水泥的耐久性往往會(huì)面臨很大的挑戰(zhàn)。水泥受到破壞和侵蝕的原因主要有氯鹽離子以及各種離子的侵蝕作用、硫酸鹽的腐蝕作用、堿集料反應(yīng)作用、凍融破壞作用以及碳化作用等[2]。這些作用的發(fā)生均與碳酸鹽侵蝕混凝土以及硬化漿體中的孔隙進(jìn)入二氧化碳有關(guān)，此時(shí)二氧化碳會(huì)遇水生成碳酸，碳酸不穩(wěn)定，碳酸根離子會(huì)與漿體孔隙中的堿性溶液物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鹽，使溶液自身的pH值降低，破壞保護(hù)水泥表面的致密層，對(duì)水泥造成侵蝕[3]。

有關(guān)研究證實(shí)，只有將水泥pH值保持在大于11.5的狀態(tài)，才能保證其不受到侵蝕。為了保持該pH 值，需要保證水泥不產(chǎn)生干縮。水泥的干縮與自身的材料含水量以及環(huán)境的具體濕度有關(guān)，水泥發(fā)生干縮現(xiàn)象后，其內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)裂紋，此時(shí)侵蝕離子會(huì)將該裂紋當(dāng)成滲透通道，破壞水泥基體整體的耐久性[4]。為了降低水泥發(fā)生干縮的幾率，2004 年石墨烯通過(guò)微機(jī)械剝離方式被成功制備出來(lái)，獲取了極大關(guān)注。然而由于石墨烯的材料特性使其難以在水泥中均勻分散，因此人們將目光轉(zhuǎn)向了氧化石墨烯。

文獻(xiàn)[5]采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯，制備功能填料，將其填充到水性環(huán)氧樹(shù)脂中制備復(fù)合涂層。采用FTIR、XRD、氮?dú)馕矫摳胶蚑EM 對(duì)填料進(jìn)行了表征，測(cè)試了防腐性能及力學(xué)性能。得到的結(jié)果為復(fù)合涂層的防腐性能優(yōu)于純環(huán)氧涂層，表明了氧化石墨烯材料的性能較好。文獻(xiàn)[6]使用水熱法制備了具有良好光致發(fā)光和磁性的3D 還原氧化石墨烯材料。使水凝膠脫水以進(jìn)行保存，升華過(guò)程使用冷凍干燥法保持孔隙率。通過(guò)引入Tb離子，氧化石墨烯材料被賦予了順磁性和綠色光致發(fā)光特性，這也增強(qiáng)了氧化石墨烯材料的性能。

通過(guò)氧化石墨烯對(duì)改性水泥進(jìn)行制備能夠成功克服水泥材料的缺陷，基于此本文提出一種氧化石墨烯改性水泥的制備方法并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能研究。

1 研究對(duì)象與研究方法

1.1 研究材料

研究中采用的具體試劑與原料如表1 所示。

表1 研究中采用的具體試劑與原料Table 1 The reagents and raw materials used in the study

1.2 研究設(shè)備儀器

研究中使用的設(shè)備儀器具體如表2 所示。

表2 研究中使用的設(shè)備儀器Table 2 The equipment used in the study

1.3 研究方法

首先需要利用Hummers 改性法對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行制備，具體制備步驟分為三步，第一步是氧化，向持續(xù)攪拌的三口燒瓶?jī)?nèi)依次加入鱗片石墨9g、硝酸鈉3g、濃硫酸150mL。將該三口燒瓶放置在混合的冰水浴中，將其中的溶液持續(xù)攪拌至均勻并緩緩倒入高錳酸鉀9g（盡量緩慢）。完成加料后，把反應(yīng)裝置放進(jìn)恒溫水浴內(nèi)（溫度保持在35℃），對(duì)其進(jìn)行4h的持續(xù)攪拌。接著向其中倒入制備的去離子水150mL，并將其放入油浴中（溫度為98℃），保持溫度15min，完成反應(yīng)后緩緩將獲取的反應(yīng)產(chǎn)物倒進(jìn)燒杯中，該燒杯盛有制備的去離子水，并利用制備的去離子水對(duì)三口燒瓶進(jìn)行反復(fù)清洗[7～8]。最后向燒杯內(nèi)倒入濃度為30%的過(guò)氧化氫15mL，直至反應(yīng)終止。

第二步是純化，放置氧化獲取的石墨產(chǎn)物約1d時(shí)間，等待產(chǎn)物完全在燒杯底部沉淀，將上層的清液倒掉，利用高速臺(tái)式離心機(jī)對(duì)下層產(chǎn)物實(shí)施多次離心清洗，每次平均清洗約10min，高速臺(tái)式離心機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在每分鐘萬(wàn)轉(zhuǎn)[9]。將獲取的離心產(chǎn)物放入透析袋內(nèi)，利用制備的去離子水對(duì)其進(jìn)行透析直到去除雜質(zhì)離子如硫酸根等。

第三步是剝離，在透析袋中將氧化石墨去除并放入燒杯，加入制備的去離子水，均勻攪拌后，通過(guò)超聲波破碎儀對(duì)其進(jìn)行超聲約2h，獲取穩(wěn)定均勻的氧化石墨烯分散膠體液，完成氧化石墨烯的制備[10]。

氧化石墨烯的具體制備流程如圖1 所示[11]。

圖1 氧化石墨烯的具體制備流程Fig. 1 The preparation process of the graphene oxide

利用制備的氧化石墨烯來(lái)制備氧化石墨烯改性水泥[12]。制備中使用的水泥的具體化學(xué)成分如表3 所示。

表3 水泥的具體化學(xué)成分Table 3 The chemical compositions of cement

氧化石墨烯改性水泥穩(wěn)定制備首先需要對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行稱量，并在去離子水中分散稱好的氧化石墨烯[13]。利用玻璃棒對(duì)其進(jìn)行攪拌，并置于超聲波式清洗器中對(duì)其進(jìn)行1h 超聲。然后在凈漿攪拌鍋內(nèi)倒入均勻分散的氧化石墨烯膠體，并倒入水泥對(duì)其進(jìn)行均勻攪拌[14]。對(duì)獲取的水泥漿體進(jìn)行成型養(yǎng)護(hù)，從而完成氧化石墨烯改性水泥的制備。

完成制備后，對(duì)氧化石墨烯改性水泥進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，包括抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。利用行星球磨機(jī)、分析用電子天平、恒溫電熱鼓風(fēng)干燥箱等儀器將氧化石墨烯改性水泥制成試塊，試塊具體制作尺寸為40mm×40mm×160mm。操作的具體步驟為在模具內(nèi)裝入均勻攪拌的氧化石墨烯改性水泥凈漿，并將模具放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，具體的養(yǎng)護(hù)條件是將相對(duì)濕度控制在95%左右，并將溫度控制在20℃以上。第二天對(duì)其進(jìn)行脫模，并繼續(xù)將試塊放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直至試塊到達(dá)一定齡期之后，通過(guò)萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)對(duì)試塊進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試[15]。分別測(cè)試氧化石墨烯改性水泥試塊在氧化石墨烯摻量為0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%、0.12%時(shí)的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，并與水泥進(jìn)行對(duì)比。

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與處理，并利用方差單因素分析方法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將P＜0.01 作為非常顯著性差異，將P＞0.05 作為顯著性差異。

2 結(jié)果分析與結(jié)論獲取

2.1 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

制備的氧化石墨烯改性水泥抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體如表4 和表5 所示。

表4 7d 時(shí)氧化石墨烯改性水泥抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 The compressive strength test results of graphene oxide modified cement after 7 days

表5 28d 時(shí)氧化石墨烯改性水泥抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 The compressive strength test results of graphene oxide modified cement after 28 days

根據(jù)表4 與表5 的氧化石墨烯改性水泥抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，制備的氧化石墨烯改性水泥在氧化石墨烯摻量逐漸提升的情況下，其抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)逐漸上升的態(tài)勢(shì)，并在氧化石墨烯摻量為0.1%時(shí)實(shí)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度的大幅突破，在氧化石墨烯摻量為1.0%時(shí)達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度。并且氧化石墨烯改性水泥的抗壓強(qiáng)度一直大于水泥。

2.2 抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

制備的氧化石墨烯改性水泥抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體如表6 和表7 所示。

表6 7d 時(shí)氧化石墨烯改性水泥抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 The flexural strength test results of graphene oxide modified cement after 7 days

表7 28d 時(shí)氧化石墨烯改性水泥抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 The flexural strength test results of graphene oxide modified cement after 28 days

根據(jù)表6 與表7 的氧化石墨烯改性水泥抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，制備的氧化石墨烯改性水泥在氧化石墨烯摻量逐漸提升的情況下，其抗折強(qiáng)度也有所提升。在氧化石墨烯摻量為0.06%時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到最高，隨后抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但仍一直大于水泥的抗折強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

氧化石墨烯改性水泥的制備實(shí)現(xiàn)了水泥抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度這兩種力學(xué)性能的提升，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出，在氧化石墨烯摻量為1.0%時(shí)達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度，摻量為0.06%時(shí)達(dá)到最高抗折強(qiáng)度，這一結(jié)果對(duì)建筑行業(yè)的發(fā)展有很大意義。