氧化石墨烯对水泥水化晶体形貌的调控作用及对力学性能的影响
用Hummers法制备了氧化石墨烯(GO)并用超声波将其分散制备了纳米片层分散液，用XRD和AFM 表征了分散的效果。研究了不同含氧量GO 对水泥水化晶体微观形貌及胶砂耐折强度和抗压强度的影响，结果表明含氧量为18.65%和25.53%的GO 可使水泥水化产物成为花朵状微晶体，而且形状统一、分布均匀，具有显著的增韧增强效果。
研究结果也说明了GO 能够调控水泥水化晶体产物的形状和尺寸，GO 对于水泥水化反应产物具有促进作用和模板效应。研究结果对于提高混凝土建筑的抗裂缝和耐久性具有积极的意义。
1、引言
混凝土是一类具有高脆性和多孔性的复合材料，容易出现裂缝、渗透和遭受冲击损坏等问题。从早期的钢筋混凝土、预应力混凝土到目前的依靠各种增强纤维和外加剂的高性能混凝土，其目的都是要提高混凝土的强度和耐久性，同时也说明混凝土技术一直围绕着提高强度特别是提高韧性的核心在不断地发展之中。目前提高混凝土抗冲击韧性的主要方法是依赖于高强度的钢材和各种高性能的纤维，实现提高混凝土强度的同时提高韧性、降低脆性，其结果是在提高韧性、降低脆性方面的效果不显著，却导致了高性能混凝土的高成本和资源的高消耗。究其原因是人们的研究思路还主要是通过向混凝土中加入各种增强增韧材料来提高强度和韧性，忽视了对水泥水化过程形成的自身结构改变，尽管有人发现超细石灰石、纳米SiO2、超细粉煤灰等掺入混凝土中，具有促进水泥C3S水化产物钙矾石(AFt)、硫铝酸钙(AFm)、氢氧化钙(CH)、凝胶体(C-S-H)等形成微晶体而显示增韧增强的效果，但这种增韧增强的效果有限。因此，寻求一种通过调控水泥水化产物的微观结构实现对混凝土的增强特别是增韧是很有意义的事情。
氧化石墨烯(GO)是石墨的氧化产物，具有超高的强度和柔韧性，具有超大的比表面积，结构中含有羟基、羧基、环氧基等基团(见图3)，容易形成纳米分散片层，容易与聚合物、陶瓷等形成插层复合物，具有明显的增强增韧作用。本文采用Hummers法和超声波分散方法制备GO 纳米片层分散液，主要研究不同氧化程度GO 对于水泥水化晶体产物的形状的调控作用及其与耐折抗压强度的影响。
2、实 验
2.1、材料、试剂和仪器
石墨(粒度<30μm)、浓硫酸(H2SO4，98%)、高锰酸钾(KMnO4)、硝酸钠(NaNO3)和双氧水(H2O2，30%)均为分析纯，由陕西华星实验科技有限公司提供;聚羧酸系减水剂(PC，20%(质量分数))、声威水泥(ShengweiP.O.42.5R)和标准砂均由陕西天皓混凝土工程有限公司提供。
DYYB-500型超声波材料分散器，上海德洋意邦仪器有限公司制造。X 光衍射仪(XRD)D/max2200PC，日本理学公司制造。SPI3800N/SPA400原子力显微镜(AFM)，日本精工制造。傅立叶红外光谱(FTIR)仪VECTOR-22，德国布鲁克公司生产。HITACHIS-4800型扫描电子显微镜(SEM)，日本日立公司制造。JES-300型胶砂抗折抗压试验机，无锡锡东建材设备厂。
2.2、氧化石墨烯的制备
在搅拌下依次向置于冰浴的1000mL三口烧瓶中加入浓硫酸60mL、石墨6g和NaNO32g，搅拌均匀后分次缓慢加入14gKMnO4，待溶液呈紫绿色后在5℃下继续搅拌反应1h，然后升温至35℃搅拌反应12h或者更长一些的时间，再缓慢加入200mL去离子水，升温至60℃，补加500mL 去离子水，然后慢慢加入30mL双氧水，颜色由棕色变为黄色，趁热抽滤，用去离子水反复洗涤至pH 值约为7，得到GO。将含有GO的水在325W 超声分散1h，得到纳米GO 悬浮液(GO)，保存备用。GO 纳米分散液制备示意见图1。
图1 GO 制备及分散过程示意图
2.3、水泥胶砂的制备
按照水泥450g、标准砂1350g、水155g、PC0.9g(固体掺量)、GO0.09g(固体掺量)的比例制备水泥砂浆并放入模具中(尺寸为40mm×40mm×160mm)。在恒温(20℃)恒湿(相对湿度90%)条件下养护。
2.4、检测方法
采用KBr压片法，取3~5mg研细的GO 样品与100~200mgKBr粉末在玛瑙研钵中仔细研磨后装入模具中并在高压下成膜，测定FT-IR图谱。GO 分散液稀释后在单晶硅片上成膜，用SEM 测量GO 表面含氧量，用AFM 测定GO 纳米片层二维形貌。
将水泥胶砂试块在恒温恒湿箱中养护，按照GB/T17617-2007测试抗折强度和抗压强度，压碎试块可分别用于SEM 和XRD测试。用于SEM 测定的样品在真空烘箱内于(45±5)℃下烘干5h，取合适样品在金属底座上固定及喷金后用于SEM 测定。用于XRD试样在烘干研磨成细粉末后过滤除去砂，将细粉末固定在金属板上进行XRD检测。
结论
用Hummers法制备了氧化石墨烯(GO)，研究了氧化时间对GO 中含氧量的影响，研究了含氧量为18.65%和25.53%的GO 对水泥水化产物微观形貌及耐折强度和抗压强度的影响，结果表明含氧量为25.53%的GO 能够使水泥水化产物形成密实的花朵状微晶体，GO 对水泥水化晶体产物的形成具有促进和模板效应，其增韧效果大于增强效果，研究结果对于提高混凝土建筑的耐久性和安全性具有积极的意义。
