氧化石墨烯对硫铝酸盐水泥性能影响

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(1.武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023；2.武汉大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)

氧化石墨烯(GO)是一种高度亲水的二维纳米薄片材料，纵横向尺寸比达到30000，同时能达到300GPa的杨氏模量和112GPa的内部强度[1-6]，因此它成为胶凝材料的外加剂具有巨大的潜力。

然而在GO对硫铝酸盐水泥的影响方面并没有太多研究。为了研究GO对硫铝酸盐水泥的影响，本文对比了不同水灰比下，不同GO掺量硫铝酸盐水泥的流动度和凝结时间，得出硫铝酸盐水泥在该条件下的综合最佳水灰比。然后在最佳水灰比下，对不同GO掺量的硫铝酸盐水泥进行28天的抗压试验，对比GO的掺量对硫铝酸盐水泥抗压强度的影响，以研究GO对硫铝酸盐水泥的改善情况。

1试验

1.1材料

GO是通过Hummers法生产，用去离子水稀释后，通过数控超声波清洗器(KH-500DE)超声处理45min制备。

所用水泥为唐山市北极熊建材有限公司的42.5硫铝酸盐水泥，聚羧酸减水剂为上海钦和化工有限公司的聚羧酸高性能减水剂。

表1 水泥主要成分

1.2试样制作及试验方法

该硫铝酸盐水泥流动度的检测，依据规范《混凝土外加剂匀质性试验方法》。取聚羧酸减水剂掺量为硫铝酸盐水泥质量的0.5%，均匀分散在水中。湿布擦净搅拌机(NJ―160)、搅拌锅和玻璃板及截锥圆模。称取一定质量硫铝酸盐水泥倒入锅中，按0.18、0.20、0.22不同水灰比，和0、0.02、0.04、0.06%四个不同GO掺量(硫铝酸盐水泥质量百分数)，倒入分散了粉体聚羧酸减水剂的水和GO悬浮液，立即慢搅120s停15s快搅120s。将倒入截锥圆模刮平，垂直并快速将截锥圆模拿起，30s后量取平均流淌直径作为流动度值。

该硫铝酸盐水泥凝结时间的检测，依据规范《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》。各材料比例和搅拌顺序与流动度检测相同。分别测定初凝时间和终凝时间。实验室环境温度为18～22℃。

抗折和抗压强度的试样制备。称取0.5%水泥用量的粉末聚羧酸减水剂，分散在水中。称取一定质量硫铝酸盐水泥倒入搅拌锅中，按流动度和凝结时间试验得出的最佳水灰比，和0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10%六个不同GO掺量，倒入分散了粉体聚羧酸减水剂的水和GO悬浮液，先慢搅120s停15s再快搅120s。浆体倒入40mm×40mm×160mm的三联标准模具里，在振实台(ZS-15)振实120下，附膜密封，放置室温下24h后脱模。在标准养护室(温度20℃±2℃，相对湿度98%)中分别养护至3d、7d、28d。后在压折试验机(YAW-300，抗折试验的加载速率50N/s，抗压试验的加载速率2.4kN/s)上进行抗压和抗折试验。

2试验结果

2.1流动度

测得各组硫铝酸盐水泥流动度在不同水灰比下随GO掺量变化情况如图1所示。从图中能明显看出，在三组不同水灰比下，各流动度都随GO掺量的增多而减少。这一变化趋势很好的体现了GO的高亲水吸附性。尤其在0.18低水灰比下，GO掺量的改变对流动度的影响尤为显著，甚至GO掺量为0.06%组的流动度只有不加GO的对照组的46.7%。

但是0.22水灰比时，未掺G0的水泥流动度太高，接近流动度测试有效值的上限250mm，浆体入模后会出现渗水分层现象，不适合后期作为空白对比组的强度试验。

图1 流动度

2.2凝结时间

各组硫铝酸盐水泥初凝时间在不同水灰比下随GO掺量变化的情况如图2所示。从折线图上看， GO掺量不高于0.04%时，三组水灰比下的初凝时间和流动度都减少，因为GO的掺入吸附了一定量的过多自由水，促进早期强度形成。GO掺量为0.04%时，有最快的初凝时间，与不加GO组相比平均降低了28.8%的初凝时间，最多降低了30.4%。而GO掺量高于0.04%时，三组水灰比下的初凝时间都开始增加，表明这个时候掺入GO已经开始影响硫铝酸盐水泥水化反应的进程了。

图2 初凝时间

各组硫铝酸盐水泥终凝时间在不同水灰比下随GO掺量变化的情况如图3所示。从折线图上看，不同GO掺量和水灰比下，初凝时间和终凝时间具有高度相似的变化情况，0.04%的GO掺量下终凝时间最短，与不加GO组相比平均降低了29.6%的初凝时间，最多降低了34.2%。

图3 终凝时间

但后期强度试样制作过程中，需要入模并振动密实，0.18水灰比下初凝和终凝时间分别达到了22min和25min,会发生凝结先于密实的情况，导致试件内部存在大量大孔隙，干扰GO掺量对试样强度影响对比。

综合考虑流动度和凝结时间的变化情况，0.22水灰比下不加GO组流动度太大，而0.18水灰比下凝结时间太短，故硫铝酸盐水泥在该条件下的最佳水灰比为0.20。

2.3抗压强度

硫铝酸盐水泥试样在最优水灰比0.20下的28天抗压强度折线图如图4所示。

图4 硫铝酸盐水泥28天抗压强度

在GO掺量不高于0.06%时，硫铝酸盐水泥试样的抗压强度随GO掺量增多而减少。在GO掺量为0.08%时，硫铝酸盐水泥试样抗压强度最优达到了83.3MPa，比没有加入GO组的抗压强度高14.3%，比最劣组提高了46.7%。由于高亲水吸附性的GO吸附了一定量的过多自由水，和溶解的水泥颗粒，促进水化产物形成致密有序的结构，从而提高试件强度。当GO掺量高于0.08%时，硫铝酸盐水泥试件抗压强度反而减少，因为GO掺量过大，一方面不容易分散，另一方面由于其吸附性使得可以参与水化反应的自由水减少过多。

综合抗压和抗折强度的变化情况，在0.20最优水灰比下，GO掺量0.08%为硫铝酸盐水泥后期强度最优掺量。

3结论

(1)在0.18、0.20、0.22三个水灰比下， 硫铝酸盐水泥流动度随GO掺量(0、0.02%、0.04%、0.06%)增加而减少。在0.18低水灰比下尤为明显，GO掺量为0.06%组的流动度只有不加GO的对照组的46.7%。

(2)凝结时间在GO掺量不高于0.04%前都随GO掺量增加而减少，高于这个值之后开始增加。GO掺量为0.04%时，凝结时间最快，与不加GO组相比平均降低了29%，最多降低了34.2%。

(3)综合0.22水灰比下不加GO组流动度太大，而0.18水灰比下凝结时间太短，得出该水泥在0.5%聚羧酸减水剂掺量下的最优水灰比为0.20。

(4)在0.20最优水灰比时，硫铝酸盐水泥的28天抗压强度，在GO掺量不高于0.06%前都随GO掺量增加而减少；在0.08%时最优达到83.3MPa，比没有加入GO组高14.3%，比最劣组高46.7%，高于这个值之后开始减少，即0.08%为0.20最优水灰比下硫铝酸盐水泥后期强度的GO最佳掺量。