氧化石墨烯对水泥基复合材料微观结构的调控作用及对抗压抗折强度的影响

吕生华，张佳，朱琳琳，贾春茂



氧化石墨烯对水泥基复合材料微观结构的调控作用及对抗压抗折强度的影响

吕生华1，张佳2，朱琳琳1，贾春茂3

（1陕西科技大学轻工科学与工程学院，陕西西安 710021;2陕西科技大学环境科学与工程学院，陕西西安 710021；3陕西科技大学化学与化工学院，陕西西安 710021）

通过氧化法制备得到氧化石墨烯（GO），通过GO与丙烯酸（AA）和丙烯酰胺（AM）进行插层聚合反应制备得到插层复合物GO/P(AA-AM)。检测结果表明，GO在插层复合物中具有较小的尺寸和均匀的分布，将GO/P(AA-AM)掺入水泥基复合材料中，发现水泥水化产物成为规整的针状、棒状或多面体状晶体，并且能够聚集形成具规整形貌的微观结构和宏观结构，水泥基复合材料中的裂缝及有害孔洞比对照样品明显减少，其抗压强度和抗折强度比对照样品有明显提高。提出了GO纳米片层对于水泥基复合材料规整结构的调控机理，认为GO纳米片层及活性基团能够促进水泥化产物形成规整形状的水化晶体，最初形成的水化晶体成为后续水化晶体形成的模板，通过晶体的生长最终形成规整水化晶体及规整的微观结构和宏观结构。

纳米材料；复合材料；团聚；氧化石墨烯；水泥水化晶体；微观结构

引 言

水泥基复合材料是由水泥、水、砂石以及增强材料等形成的一类复合材料，目前，水泥基复合材料的发展方向是高强度和高耐久性[1-3]，制约其发展的主要问题是其结构中存在的裂缝及有害孔洞（孔径＞100 nm）[4-8]。针对存在的问题，传统的解决方法是在水泥基复合材料中添加各种增强纤维[9-13]及超细粉状矿物填料[14-21]等，但是裂缝及有害孔洞依然存在。水泥基复合材料主要由水泥水化产物及其聚集体（水泥基体）与砂石等构成，其结构具有多尺度的特征。水泥基复合材料中的水泥和砂石本身具有不同的尺度，水泥基体在形成的过程中也具有多尺度的特点[22-24]。水泥是水泥基复合材料形成过程中唯一发生形态与结构变化的组分，水泥与水初期形成可流动的浆状物，包裹砂石并发生复杂的水化反应及生成复杂的水化产物，然后固化聚集成为坚固的水泥石（水泥基体），因此，水泥基复合材料中只有水泥基体具有从微观结构到介观结构和宏观结构的形成过程，因此，水泥基复合材料的结构主要决定于水泥水化产物及聚集态结构。水泥水化产物的形状及其聚集态结构是水泥基复合材料结构的基础，水泥基复合材料中的裂缝、孔洞等主要与水泥水化产物的形状、聚集态结构有关系。通过调控水泥水化产物及聚集态结构，促使水泥基体形成规整密实的微观结构对于水泥基复合材料的性能有重要的意义[25-27]。氧化石墨烯（GO）是石墨经过氧化及超声分散得到的厚度在纳米级的片层状物质，具有超大比表面积和良好的柔韧性[28-29]，其片层上含有羟基、羧基、环氧基等化学基团[30-31]，能够与水泥发生化学反应。在前期研究中，发现GO对水泥水化产物及聚集状态具有调控作用，具有促使形成规整的水泥水化产物及聚集体结构的趋势，可使水泥基复合材料的力学性能有较大提高。但是，存在的问题是GO在水泥基体中不容易均匀分散，影响到水泥基复合材料的整体规整性及重现性[32-33]。本研究通过GO与丙烯酸（AA）和丙烯酰胺（AM）进行插层聚合反应制备插层复合物GO/P(AA-AM)，通过向水泥基复合材料掺入GO/P(AA-AM)达到将GO纳米片层均匀分散在水泥基体中的目的，解决GO纳米片层在水泥基材料中的团聚及难以均匀分散的问题，实现GO对于水泥水化产物形状及其微观结构的调控，为提高水泥基复合材料的强度和耐久性奠定基础。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

粉末状石墨（C含量98%)，聚羧酸减水剂（PCs，固含量40%），普通硅酸盐水泥P.O.425，其化学组成见表1。浓硫酸（H2SO4，质量分数98%），浓磷酸（H3PO4，质量分数85%），过氧化氢（H2O2，质量分数30%），高锰酸钾（KMnO4），丙烯酸（AA），丙烯酰胺（AM），过硫酸铵（APS），亚硫酸氢钠（NaHSO3），氢氧化钠（NaOH），均为化学纯。

表1 普通硅酸盐水泥的化学组成

Vector 70型傅里叶红外光谱仪，德国布鲁克Bruker公司；Waters575-2414凝胶色谱仪（GPC），美国Waters公司；SPI 3800N/SPA400型原子力显微镜，日本精工公司；激光粒度仪Zetasizer NANO-ZS90，英国Malvern 公司；S4800型扫描电子显微镜，日本理学公司；1036 PC型材料试验机，中国台湾宝大仪器有限公司；D/max 2200 PC型X射线衍射仪，日本理学公司；AutoPore IV 9500型全自动压汞仪，美国麦克仪器公司。

1.2 GO及GO/P(AA-AM)的制备

1.2.1 GO的制备 将20 ml浓H2SO4、7 ml浓H3PO4和1 g石墨依次加入三口烧瓶中，利用冰浴控制体系温度不高于5℃，分次缓慢加入10 g KMnO4，然后依次在5℃反应2 h、在60℃下反应9 h。加入150 ml去离子水，控制体系在85℃保温30 min，降温到40℃后滴加8 ml双氧水，产物变为金黄色，对其离心沉淀、洗涤直到pH为6.5～7.0，再超声分散30 min，得到GO纳米片层分散液，控制GO的质量分数为0.5%。

1.2.2 插层复合物GO/P(AA-AM)的制备 将50 g 上述GO纳米片层分散液加入三口烧瓶中，控制温度为40℃，用3个滴液漏斗分别滴加含有9 g AA、3 g AM和10 g去离子水单体混合溶液、含有0.5 g APS与20 g去离子水引发剂溶液及含有0.3 g NaHSO3和20 g去离子水还原剂溶液，滴加时间为60 min。保温反应5 h，降温到30℃左右，用质量分数40% NaOH溶液调节产物pH为7，所得产物即为GO/P(AA-AM)，控制插层复合物中的P(AA-AM)的固含量为10%，GO含量0.2%。

1.3 水泥基复合材料的制备

制备含有不同掺量GO的水泥基复合材料，每组试样的水泥450 g、标准砂1350 g、减水剂PCs 2.25 g、总水量为166 g。控制GO掺量依次为水泥质量的0.01%、0.02%、0.03%、0.04%和0.05%，需要掺入的GO/P(AA-AM) 分别为22.5、45、67.5、90和112.5 g，在保持总水量166 g的情况下，需要加入的水量分别为145.75、125.5、89.5、85和64.75 g。在制备时，首先将GO/P(AA-AM)与对应的水混合均匀并超声分散30 min，然后在搅拌下，将其加入到砂子和水泥混合物中，搅拌均匀、注模、成型、脱模、养护等。试样的尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，24 h脱模，在标准条件下养护到检测前。同样方法制备不含GO对照样。

1.4 检测方法

用压片法测定GO和GO/P(AA-AM) 的FT-IR谱图。用GPC测定样品的相对分子质量及分散系数。采用AFM检测GO纳米片层的微观形貌，试样为0.5% GO分散液稀释1000倍，取1～2滴在单晶硅片上，干燥后用AFM观察其形貌。用激光粒度仪测定GO粒度分布。采用EDS测定水泥样品的元素及含量。依据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检测方法》测定抗压强度和抗折强度。用XRD测定水泥基复合材料中产物的相结构，采用水泥基复合材料粉末样品，筛分去除其中的砂子。用SEM测定水泥基复合材料的微观结构，样品干燥喷金处理。采用全自动压汞仪测定试样的孔结构，分析总孔面积、平均孔经及其孔隙率。

2 结果与讨论

2.1 GO/P(AA-AM)的结构表征

图1为石墨、GO片层及GO/P(AA-AM)的结构表征。图1(a)是石墨、GO及其GO/P(AA-AM)的FTIR谱图，其中石墨的FTIR谱图上几乎看不出明显的吸收峰，即使其结构中含量大的双键CC的吸收峰也非常弱，原因是石墨片层聚集紧密，厚度大，透光性差，使得CC的吸收峰不明显。GO的FTIR谱图中吸收峰较明显，其中3450 cm-1处为羟基OH伸缩振动吸收峰，1730 cm-1处为羰基CO伸缩振动吸收峰，1420、1260和1050 cm-1处为CO伸缩振动吸收峰，表明在GO片层上含OH、COOH、COC等基团。GO/P(AA-AM)谱图中，3450 cm-1处为OH伸缩振动吸收峰，2910、2880 cm-1处为甲基和亚甲基的吸收峰，1730 cm-1为CO伸缩振动吸收峰，1640、1350、1310、1250、1100、950 cm-1为CO键吸收振动峰。因此，FTIR谱图可以证明聚合物P(AA-AM) 生成。

图1 GO/P(AA-AM)插层复合物的结构表征

图1(b)是GO/P(AA-AM)插层复合物的GPC测定结果，可以用其表征P(AA-AM)的相对分子质量。结果表明，P(AA-AM)的重均分子量为21301，数均分子量为11754，分子量分散系数为1.81。结果表明P(AA-AM)的分子量比较小，有利于在GO片层间的渗透和在水泥浆体中的分散。

图2为GO纳米片层的结构表征。图2(a)和(b)是GO片层的AFM形貌图，可以表征GO的表面和侧面形貌，其中图2(a)为GO分散液稀释后干燥获得GO片层的表面形貌，其厚度在23.49 nm以内，宽度在200～700 nm范围内。从图2(a)中任选2个GO片层b1、b2部位的侧面形貌，图2(b)表明在该部位处GO片层的表面不平整，二者表面上最高处和最低处分别相差7.09和3.09 nm，原因是GO纳米片层的皱褶或者堆积造成的。

图2(c)和(d)分别为GO/P(AA-AM)插层复合物稀释后干燥获得的GO纳米片层的表面及侧面形貌，结果表明GO片层的厚度在7.55 nm内，GO片层宽度在50～300 nm范围，任意选取两个位置d1、d2，其表面不平整，二者表面上最高处和最地处的差距分别为2.48和1.78 nm。结果表面GO在插层复合物中具有较小的尺寸和相对平整的表面。

图2(e)是石墨及GO片层的XRD谱图。从图可以看出，石墨的XRD谱图在21°和49°处有较强的特征吸收峰，石墨层间距为0.35 nm。来自于GO分散液中的GO的XRD谱图的特征峰在11°处，其层间距为0.85 nm，表明石墨氧化后层间距明显变大，成为一种疏松的结构。在来自于GO/P(AA-AM)插层复合物中GO的XRD谱图没有发现GO的特征吸收峰，说明GO片层杂乱的分散在P(AA-AM)之中。

图2(a)、(c)和(e)可以表征GO层数。GO的XRD谱图表明GO层间距为0.85 nm，单个GO片层厚度0.35，23.49和7.55 nm是其中最高点的厚度，并不表示GO片层的厚度。结果表明GO与AA和AM聚合形成的插层复合物，显著地降低了GO片层的尺寸，提高了GO纳米片层的分散程度。AFM的优点是可以直接看见GO片层的形貌，缺点是看到的是干燥后GO样品，由于GO的团聚及样品量少，AFM表征的GO片层的形貌与尺寸不完全是GO在水溶液及插层复合物中的实际情况。

图2(f)是用激光粒度仪测定的GO尺寸分布图。结果表明GO分散液中GO尺寸在5～600 nm范围，GO/P(AA-AM)插层复合物中GO的尺寸在5～200 nm。因此，GO在P(GO-AA-AM)中具有比较小的尺寸分布和均匀的分布。

图2 GO纳米片层的结构表征

2.2 水泥基复合材料力学性能表征

水泥基复合材料的抗压强度和抗折强度检测结果见表2。从表中结果可以看出，掺有GO水相分散液的水泥基复合材料的抗压强度和抗折强度在7 d和28 d时比对照样品有较大的增加，而且随着GO掺量从0.01%、0.02%到0.03%其强度依次有较大的增加。GO掺量为0.03%时，28 d的抗压强度和抗折强度达到最大值，分别为65.3 MPa和13.4 MPa，比对照样品增加率分别为31.9%和55.8%。GO掺量为0.04%和0.05%时强度不再增加。同样，从表中结果可以看出，掺入GO/P(AA-AM)，其水泥基复合材料的抗压强度和抗折强度比直接掺入GO水相分散液有更大的提高。通过掺入GO/P(AA-AM)引入GO在0.03%时，水泥基复合材料在28 d时的抗压强度和抗折强度分别为85.3 MPa和15.8 MPa，比对照样品分别提高72.3%及83.7%，比掺入GO分散液的样品分别提高30.6%和17.9%。结果表明通过掺入GO/P(AA-AM)引入GO纳米片层能够明显提高水泥基复合材料抗压和抗折强度。

表2 掺入GO的水泥基复合材料的抗压强度和抗折强度

图3 不含GO水泥基复合材料28 d时的SEM形貌

2.3 水泥基复合材料的SEM形貌及分析

2.3.1 不含GO的水泥基体SEM形貌 不含GO纳米片层的水泥基复合材料（空白样品）的SEM形貌见图3。图3(a)是较小放大倍数下的微观形貌，可以看到水泥基复合材料的微观形貌特征是整体上不规整、不均匀及不密实，存在着明显的裂缝等缺陷[34]。图3(b)和(c)是较大倍数下的微观形貌，从中可以看到其结构中存在着一些的针状、棒状、片层状晶体产物，其形状不规整，分布不均匀，孔洞、裂缝较多。总之，未掺入GO纳米片层的水泥基复合材料的结构中，水化晶体状产物少、形状不规 整、分布不均匀，导致其聚集态结构的不规整，因此，一般水泥基复合材料中存在着较多的孔隙、 裂缝。

2.3.2 掺有GO分散液的水泥基复体SEM形貌 掺入GO分散液的水泥基体SEM图见图4，其结构的总体特征是晶体产物增多，但是晶体产物分布不均匀，造成其整体结构不规整、不致密。图4(a)是GO掺量为0.01%时水泥基基体的微观形貌，从图可以看到水化产物主要为针状和多面体状晶体及其聚集体，晶体产物在水泥基体中的分布不均匀。图4(b)是掺入0.03%GO时水泥基体的微观形貌，水化产物为多面体状晶体及其簇状聚集体，从图可以看出，多面体状水化晶体是通过相互嵌入、聚集等方式形成簇状聚集体，多面体状水化产物是纳米级的晶体。图4(c)是GO掺量为0.05%时水泥基体的微观形貌，可以看出水化产物已经形成的较大面积的致密结构，是水化晶体生长形成的。总之，图4表明，直接掺入GO分散液，水泥基体中晶体状产物明显增多，而且具有长大形成致密结构的趋势，存在问题是分布不均匀，导致孔洞、裂缝的存在。

图5是掺入GO/P(AA-AM)的水泥基复合材料的SEM形貌。其微观结构形貌总体特征是水化晶体产物明显增多，水化晶体产物的形状和聚集态结构有规律，而且在水泥基体中分布均匀，微观结构形貌规整，裂缝、孔洞等明显减少。图5(a)、(b)和(c)中上图是小倍率下的SEM形貌，由于是随机取样，可以说水泥基材料已经形成大面积的规整结构。图5(a)、(b)和(c)中下图是大倍率下的SEM形貌，可以清楚地看出水泥基体是由针状、棒状、多面体状和花状晶体通过相互交织形成的规整微观结构。图5(a)是GO掺量为0.01%时的水泥基体的微观形貌，其特征为针状和棒状晶体通过交织形成的致密的结构，其中没有裂缝和孔洞。图5(b)是GO掺量为0.03%时水泥基体的微观形貌，结构特征为由多面体状水化晶体聚集形成规整有序、致密的微观结构形貌。图5(c)为GO掺量为0.05%的水泥基复合材料微观形貌，发现水泥水化产物成为规整的多面体状晶体并形成规整的微观结构，水化晶体通过交织、贯穿、复合、杂化等方式聚集成为具有花状图案的规整、致密的微观形貌。研究结果表明，掺入GO/P(AA-AM)使得水泥水化产物的形状规整，分布均匀，而且聚集形成为规整有序致密的微观结构，原因是掺入GO/P(AA-AM)可以使引入的GO纳米片层在水泥基体中能够均匀的分散。

图4 掺入GO分散液的水泥基复合材料在28 d时的SEM形貌

图5 掺入GO/P(AA-AM)水泥复合材料28 d时SEM形貌（方框是EDS检测部位）

表3是图5中EDS测定结果，结果表明水化晶体主要是由O、C、Mg、Al、Si、S和Ca等元素构成，其中Ca含量较高，这与水泥的成分有关系，普通硅酸盐水泥本身是由CaO、Al2O3、SiO2、MgO、CaSO4等构成，水化反应形成的晶体产物是这些组分重新组合，水泥组分中CaO和Ca的含量分别为64%和47%左右。形成针状晶体聚集体中Ca含量为42.25%，多面体状晶体聚集体中Ca含量为37.69%，花状晶体花心部位Ca含量为43.32%，说明水泥水化产物的形成过程在GO的调控下，CaO是水化产物中的主要成分。同时在花状形貌的中心部位C含量为10.72%，说明在花心部位GO的含量较高，GO的作用在于调控水化产物的形状，规整形状的水化产物有利于形成规整的微观结构。同时，发现不同水化产物中Ca/Si比值的范围大，规律性不强，一方面说明在GO调控下的规整水化晶体及其微观结构的组成的复杂性，另一方面说明了GO对于水化晶体的形成具有很强的调控作用。

图6是用EDS测定的C元素在水泥基体中的分布，据此表征GO在水泥基体中的分散情况。图6(a)、(b)和(c)分别是用EDS测定图5(a)、图5(b)和图4(b)所示区域样品的C元素分布图。结果表明，在图6(a)和(b)中C元素分布比较均匀，没有团聚现象，而在图6(c)中，C元素分布不均匀，具有团聚现象。EDS检测结果表明，通过掺入GO/P(AA-AM)引入GO纳米片层能够均匀地分散在水泥基体中，这是水泥水化产物的形状、聚集态分布均匀以及水泥基复合材料的微观结构及宏观结构呈现规整致密的主要原因。同时，EDS检测结果表明，直接掺入GO分散溶液在水泥基体中，存在着团聚及分散不均匀，导致水泥水化晶体及聚集态分布不均匀及水泥基复合材料的微观结构及宏观结构的不规整。

表3 掺入GO的水泥水化晶体的化学组成

图6 碳元素在水泥基复合材料中的分布

2.3.3 水泥复合物的XRD表征与分析 掺有GO及GO/P(AA-AM)的水泥基体的XRD谱图见图7。检测结果表明所有样品的XRD谱图具有相似性，区别在于吸收峰的强度不一样，其中不含GO的样品的吸收峰最低，直接掺入GO的样品比未掺入GO吸收峰强、比掺入GO/P(AA-AM)的样品的吸附峰的稍弱。吸收峰的位置相同说明，水泥水化晶体产物的晶相结构相同，吸收峰的强弱说明晶体产物的完整程度。XRD结果表明掺入GO/P(AA-AM)的水泥基材料的结构比较完整。

图7 水泥基复合材料的XRD谱图

2.3.4 水泥基体的孔结构表征与分析 水泥基复合材料的孔径结构见图8和表4。从结果可以看出，掺入GO/P(AA-AM)且GO的掺量为0.01%、0.03%和0.05%样品比掺入GO分散液且GO掺量为0.01%、0.02%和0.03%的水泥基复合材料样品的平均孔径、总孔体积、孔隙率等较小。孔隙率和孔径的大小直接表明水泥水化产物的形状和聚集态结构的规整程度，说明掺入GO/P(AA-AM)的水泥水基复合材料具有均匀致密的微观结构和宏观结构。原因是掺入GO/P(AA-AM)能够使GO纳米片层在水泥基体中均匀分散，GO调控下的水泥水化产物具有规整的形状，它们能够通过沉降、交织、聚集等方式形成规整形貌的聚集体。而在掺入GO纳米片层分散液的水泥基复合材料，由于GO自身的团聚及分散效果不好，导致其在水泥基体中分布不均匀，水化晶体及其微观结构的分布不规整，水泥基体中的孔洞较多、孔径较大、孔隙率等较高。

图8 掺有GO水泥基复合材料28 d时孔径分布

表4 含有GO水泥基复合材料28 d时的孔结构

Note: PDD—pore diameter distribution; APD—average pore diameter; TPV—total pore volume.

2.3.5 GO调控水泥基体微观结构的机理 普通硅酸盐水泥主要由硅酸三钙（C3S，3CaO·SiO2）、硅酸二钙（C2S，2CaO·SiO2）、铝酸三钙（C3A，3CaO·Al2O3）、铁铝酸四钙（C4AF，4CaO·Al2O3·Fe2O3）以及石膏（CaSO4·2H2O）等组成。水泥遇到水时，水泥的主要成分C3S、C2S、C3A、C3AF、CaSO4·2H2O与水及相互之间会发生复杂的水化反应并生成钙矾石（AFt，3CaO·Al2O3·3CaSO·32H2O）、单硫型水化硫酸铝（AFm，3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O）、氢氧化钙（CH，Ca(OH)2）和水化硅酸钙（CSH，3CaO·2SiO2·3H2O）等复杂水化产物。一般情况下水泥水化产物AFt、AFm和CH呈现针状、棒状、片层状等多种不规整形状，CSH多为无定形的凝胶体[35]，它们往往会杂乱堆积形成不规整、不均匀的聚集态，导致其微观结构和宏观结构中存在较多的孔隙、裂缝。SEM结果已经证明GO对于水泥水化产物及其结构有调控作用，掺入GO纳米片层后水泥水化产物的晶体形状、聚集态结构变得规整有序、均匀致密，孔洞、裂缝等明显减少。据此提出GO调控水泥水化产物及聚集态结构的机理，如图9所示。图9(a)所示的是当水泥遇到水时开始发生水化反应，由于GO的大比表面积及其所带活性基团，会吸附水泥中活性成分优先在GO片层上聚集。图9(b)所示的是在GO片层上发生水化反应形成水化产物CH、AFt和AFm，GO的片层状结构对于水化晶体的形成具有模板作用，会促使水泥水化晶体形成规整的形状。图9(c)和(d)所示的是后续水化反应产物以已经成型的水化产物作为模板继续长大。在此基础上，随着水泥水化晶体状产物的生长，水泥基体的微观结构和宏观结构最终形成，见图9(e)和(f)。总之，在GO调控下的水泥基复合材料的规整结构是以形成纳米尺寸规整的多面体状水化产物为基础，然后水化产物依靠这些规整结构继续形成更大体积的规整微观及宏观结构。这个机理符合多个晶体在生长过程中的平行连生的生长规律，多个不同的晶体在生长变大的过程中必然伴随着相互贯穿、复合、杂化等结合聚集方式，最终构成规整有序的微观结构和宏观结构。

图9 Go对水泥基复合材料结构的调控机理

3 结 论

（1）GO与AA和AM进行插层聚合反应制备得到GO/P(AA-AM)插层复合物，检测结果表明，其中的GO纳米片层的层数小于5层，平面尺寸小于200 nm。

（2）在水泥基复合材料中掺入GO/P(AA-AM)，在GO掺量为0.01%、0.03%和0.05%时，发现水泥基体在整体上形成由针状、棒状、多面体状晶体形成的规整有序的微观结构及宏观结构，其抗压强度和抗折强度显著提高，裂缝及有害孔洞明显减少。

（3）XRD证明GO调控形成的规整形状和微观结构是由AFt、AFm和CH等形成的。EDS检测结果证明了GO在水泥基体中的均匀分布。研究了GO调控水泥水化产物及其微观结构的机理，认为具有纳米片层状和带有活性基团的GO能够通过模板效应调控水泥水化产物成为规整形状的水化晶体，这些规整形状的水化晶体对于后续水化产物起着诱导及模板作用，通过水泥水化晶体的生长最终形成规整的微观结构和宏观结构。

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Regulation of graphene oxide on microstructure of cement composites and its impact on compressive and flexural strength

LÜ Shenghua1, ZHANG Jia2, ZHU Linlin1, JIA Chunmao3

(1College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, Shaanxi, China;2College of Environment Science and Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, Shaanxi, China;3College of Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021, Shaanxi, China)

Graphene oxide (GO) was prepared by oxidation, and the intercalation composite of GO/P(AA-AM) was prepared by intercalation polymerization of GO with acrylic acid(AA) and acrylamide (AM). The testing results indicated that GO nanosheets in the GO/P(AA-AM) had smaller size and uniform dispersion. Meanwhile, it is found that GO nanosheets can regulate the cement hydration products to form regular needle-like, rod-like, or polyhedron-like crystal, also ordered microstructure and macrostructure. The cracks and harmful pores in the cement composites have obviously decreased. The compressive and flexural strength have significant increase compared with the control samples. The regulation mechanism of GO nanosheets on cement hydration crystals and the microstructure of cement composites were proposed. It thinks that GO nanosheets with active chemical groups have the promoting and template effects on forming regular shapes of cement hydration crystals. The initial regular crystals play a template role for later formed crystals, and finally form large-volume and regular shape crystals and ordered microstructure and macrostructure by crystals growing.

nanomaterials; composites; agglomeration; graphene oxide; cement hydration crystals; microstructure

10.11949/j.issn.0438-1157.20161575

TU 528.572

A

0438—1157（2017）06—2585—11

吕生华（1963—），男，教授。

国家自然科学基金面上项目（21276152）；陕西省科技统筹资源引导项目（2016KTCL01-14）。

2016-11-07收到初稿，2017-03-28收到修改稿。

2016-11-07.

Prof. LÜ Shenghua,lvsh@sust.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (21276152) and the Innovational Industrialization Foundation of Shaanxi Provice of China (2016KTCL01-14).