纳米石墨对水泥砂浆性能的影响

何晓琴

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆　400067)



纳米石墨对水泥砂浆性能的影响

何晓琴

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆400067)

摘要：研究纳米石墨作为外加剂时，其对水泥砂浆流动性及力学性能的影响。试验时，先通过分散剂曲拉通X-100对纳米石墨进行水相分散，并将分散均匀的纳米石墨混合液以等比例替换拌和水的方式加入到水泥砂浆中，然后以对照方式比较掺加或未掺加纳米石墨的水泥砂浆的性能优劣。试验结果表明：纳米石墨的掺入会使水泥砂浆流动性降低，但其力学性能都得到明显改善；随着纳米石墨掺量增加，水泥砂浆强度提升越明显。

关键词：纳米石墨；水泥砂浆；流动性；力学性能

纳米材料尺寸小(1～100 nm)，其在结构、物理和化学性质方面具有特殊性能，是当今材料学领域研究的热点，被科学家们誉为“21 世纪最有前途的材料”[1]。纳米石墨作为新型纳米材料，其兼具石墨与纳米材料的优良特性，是一种具有优良导电、导热、耐腐蚀、化学性质稳定的具有多层结构的无机材料[2]。其良好的表面效应、小尺寸效应、量子效应以及宏观量子隧道效应等微观特性使其在润滑、储氢材料、聚合物纳米石墨复合材料领域具有广泛的应用前景[3-5]。水泥混凝土作为一种脆性材料，在其制备及服役期间，由于荷载和外界因素的作用，容易产生疏松、剥落等缺陷，甚至产生微裂缝，从而导致其性能下降，使用寿命缩短[6]。而纳米石墨因其优良特性，有望作为新型掺合料以改善混凝土性能。国际上对于纳米石墨的研究早已开始，但将其运用于水泥基材料中的研究却鲜有报道。为此，本文对纳米石墨掺入水泥砂浆中其对水泥砂浆流动性及力学性能的影响进行了研究，以探讨纳米石墨在砂浆中改性应用的可行性。

1试验准备

纳米石墨是弱极性粉体，若不做任何处理直接掺入水泥砂浆中，则其高的表面活性使得纳米石墨在水泥的极性水环境中分散效果较差，稳定性差且容易发生团聚现象。有研究指出，若直接将纳米石墨与液体介质混合使用，则纳米石墨分散液分散稳定性差，会使整个体系性能下降[7]。因此，为使复合材料获得良好的性能，必须对纳米石墨进行表面修饰，修饰方法分为物理修饰和化学修饰[8]。本文采用超声分散方法，先将表面活性剂与纳米石墨在去离子水中预先混合分散，然后将分散均匀的纳米石墨溶液加入到水泥砂浆中，使纳米石墨尽可能均匀分布于水泥砂浆试件中，进而研究纳米石墨水泥砂浆复合材料的性能。

1.1试验材料

纳米石墨：青岛石墨公司生产。

表面活性剂(曲拉通X-100)：成都市科龙化工试剂厂生产。

42.5R 级普通硅酸盐水泥：重庆小南海水泥厂生产。

中国ISO标准砂：重庆标准砂公司生产。

1.2试验设备

按照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》等规定选择水泥砂浆制备、养护及性能测试主要实验室仪器设备，包括：砂浆搅拌机、三联模、振实台、水泥(混凝土)恒温恒湿标准养护箱、跳桌、抗折强度试验机、抗压强度试验机。

2试验步骤

2.1纳米石墨水相混合液制备

试验时，设置3组纳米石墨掺量，分别为0.3%、0.6%、1%。选用的分散剂为表面活性剂曲拉通X-100，设置分散剂的掺量为纳米石墨的4%。分散纳米石墨时，先将曲拉通X-100加入30 mL水中，配制成溶液；然后将纳米石墨加入到曲拉通X-100溶液中，并用超声清洗处理器超声震荡30 min，待纳米石墨分散均匀后取出备用。

2.2试件制备及养护

试验时，采用基准砂浆试件与纳米石墨水泥砂浆多组对照方式，来分析纳米石墨对水泥砂浆的作用。成型方法严格按照JTG E30—2005的规定进行。确定采用的基准水泥砂浆试件灰砂比为1∶3，水灰比为0.5；纳米石墨水泥砂浆复合材料的制备，先将纳米石墨与表面活性剂曲拉通X-100溶液用超声进行分散，得到的纳米石墨混合液以等比例替换拌和用水，然后进行纳米石墨水泥砂浆复合材料的制备及养护，其灰砂比与水灰比与基准砂浆相同，以控制同一试验条件。本次试验中，纳米石墨水泥砂浆试件共制备3组，纳米石墨掺量分别为0.3%、0.6%、1%。

所有水泥砂浆的试件养护均严格按照JTG E30—2005规定进行。脱模后，将其置于温度为(20±2) ℃、湿度大于90%的养护箱中养护。

3性能测试及结果分析

3.1水泥砂浆性能测试

本次试验中，水泥砂浆性能测试主要是流动度及力学性能的测试。

水泥砂浆流动度依据JTG E30—2005中水泥胶砂流动度测定方法，采用跳桌法测定。

水泥砂浆力学性能依据JTG E30—2005中水泥胶砂强度检验方法(ISO法)测定，且分别测定4组水泥砂浆试件14 d及28 d龄期的抗压强度和抗折强度。

3.2测试结果分析

3.2.1流动度结果分析

按照规范要求分别测定基准水泥砂浆(未掺纳米石墨的水泥砂浆)，以及纳米石墨掺量分别为0.3%、0.6%、1%的3组纳米石墨水泥砂浆的流动度，测试结果见表1。

表1　水泥砂浆流动度测试结果

分析表1数据可知，掺加纳米石墨分散液的水泥砂浆流动度低于基准水泥砂浆，A1、A2、A3与A0相比，流动度分别降低了14.8%、15.8%、19.6%，且随着纳米石墨掺量增加，水泥砂浆流动度数值呈递减趋势。分析其主要原因，可能是由纳米石墨巨大的比表面积所致。因为纳米石墨巨大的比表面积需要吸附大量的极性分子以保持平衡，降低其表面张力，因此在砂浆体系中，纳米石墨吸附了大量拌和用水，致使参与砂浆拌和凝结的水有所减少，砂浆稠度增大，从而其流动度较未掺纳米石墨的水泥砂浆也有所降低。掺加纳米石墨越多，水泥砂浆需要吸附的拌和用水就越多，故随着纳米石墨掺量增加，水泥砂浆的流动性便呈现出递减趋势。

3.2.2力学性能结果分析

按照规范标准分别测定基准水泥砂浆，以及纳米石墨掺量分别为0.3%、0.6%、1%的3组纳米石墨水泥砂浆的抗折及抗压强度。每个掺量的纳米石墨水泥砂浆抗折强度取1组试件3个试块的抗折强度平均值，抗压强度取抗折试验结束后的6个试块的抗压强度平均值，测试结果见表2、表3及图1、图2。

表2　水泥砂浆抗折强度测试结果

表3　水泥砂浆抗压强度测试结果

图1　水泥砂浆抗折强度折线

由表1、表2数据和图1、图2可知，加入纳米石墨的水泥砂浆，其14 d、28 d龄期的抗折强度与抗压强度较基准砂浆均有所提升，相较于28 d龄期的强度，14 d龄期的强度增加较为明显，涨幅较大。分析其原因，主要有如下2方面。

1)可能是由纳米石墨填充效应所致。有研究指出，水泥本身的颗粒粒径通常在7～200 μm[9]。因此，纳米石墨颗粒的粒径远比水泥颗粒小，在水泥体系中主要分布于水泥颗粒之间且起填充作用。水泥硬化体系是一个多相多孔的系统，是由水泥水化产生的硅酸钙凝胶、钙钒石、氢氧化钙等水化产物，以及未参与水化反应的拌和水及一定体积的毛细孔、胶凝孔和气泡组成[10]。水化产物填充较大孔隙却不足以填充砂浆内部大量的微小孔隙，而纳米石墨作为纳米级粉体，其掺入砂浆中能够很好地填充于水泥水化产物之间的孔隙，且能够吸附大粒子C-S-H凝胶，使整体上孔隙数量减少，孔隙粒径变小，从而使水泥砂浆结构更加密实。

图2　水泥砂浆抗压强度折线

2) 纳米石墨的加入能够促进水泥的水化进程。研究发现，在水化进程早期，纳米石墨的加入能够促进硅酸三钙、铝酸三钙等熟料的水化，其掺量越大，效果就越明显。另外，纳米石墨能够使水泥砂浆中的氢氧化钙晶体细化，使氢氧化钙结晶趋于杂乱，其对水泥砂浆强度的提升有利。但水化后期，水泥熟料的水化较为完全，水泥石的微观结构更为致密，纳米石墨的作用就不怎么明显。因此，纳米石墨水泥砂浆的早期强度较基准水泥砂浆提升较大。

4结论

1) 纳米石墨加入水泥砂浆中，可使水泥浆体流动性降低。原因在于纳米石墨具有巨大的比表面积，需吸附大量水分才能降低其表面能，从而导致参与水泥水化的拌和用水大大减少，最终导致砂浆流动性降低。

2) 纳米石墨的加入能有效提升水泥砂浆的力学性能。其主要原因在于纳米石墨的填充作用。作为纳米级微细粉体，纳米石墨能有效填充水泥砂浆中的毛细孔及凝胶孔，使孔隙率大大减小，孔隙粒径变小，水泥结构更为致密，对水泥砂浆起到了增强增韧的效果。

3) 纳米石墨掺入水泥砂浆中能促进水化反应，加快水化反应进程，尤其是水化反应早期。另外，纳米石墨能有效抑制氢氧化钙晶体的生长，可使氢氧化钙结晶趋于杂化，因此掺加纳米石墨后，水泥砂浆早期强度提升较多。

参 考 文 献

[1]张立德，牟季美．纳米材料学[M]．沈阳：辽宁科技出版社，1994.

[2]董文哲．纳米石墨微片及其聚乙烯纳米复合材料的制备与性能研究[D]．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014．

[3]马宇娟．氧化石墨烯的制备及其对水泥基材料和丙烯酸树脂涂饰剂的增强增韧作用[D]．西安：陕西科技大学，2014．

[4]徐庆磊．纳米二氧化硅对水泥基材料性能的影响及作用机理研究[D].杭州：浙江大学，2013．

[5]徐世烺．纳米材料增强水泥基复合材料初探[D].大连：大连理工大学，2012．

[6]孟睿覃．不同温度下纳米SiO2 对PMC 材料性能和微结构的影响研究[D]．杭州：浙江大学，2014．

[7]陈强，王宗廷，刘煜，等．纳米石墨在液态介质中分散行为的研究进展[J]．化学时刊，2010，24(1)，62-65．

[8]陈翔峰，陈国华，吴大军，等．聚合物/石墨纳米复合材料研究进展[J]．高分子通报，2004(4)：39-46．

[9]杜涛．氧化石墨烯水泥基复合材料性能研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014．

[10]申爱琴．水泥与水泥混凝土[M]．北京：人民交通出版社，2004.

Influences of Nano-graphite on Properties of Cement Mortar

HE Xiaoqin

Abstract:This paper studies influences of nano-graphite as additive on mobility and mechanical properties of cement mortar. In the test, the paper performs dispersity of aqueous phase to nano-graphite via dispersant triton X-100 first and adds the evenly dispersed nano-graphite mixed fluid in the mode of substituting mixing water at equal proportion, and then compares performance of cement mortar with or without admixture of nano-graphite in comparison. The test results show that admixture of nano-graphite will reduce mobility of cement mortar, but mechanical properties can be improved obviously; With the increase of the content of nano-graphite, the strength of cement mortar is enhanced more significantly.

Keywords:nano-graphite; cement mortar; mobility; mechanical property

文章编号：1009-6477(2016)02-0025-04

中图分类号：U414

文献标识码：A

作者简介：何晓琴(1970-)，女， 重庆市人，本科，高工。

收稿日期：2015-11-17

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.006