氧化石墨烯对超高性能混凝土力学性能的影响研究

2021-06-15吴玉友詹根瑞

佛山科学技术学院学报（自然科学版） 2021年3期

鲁权，吴玉友，詹根瑞

（佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山 528000）

超高性能混凝土（UHPC）是具有超高力学性能、优异耐久性的水泥基材料的统称，最早由LARRARD［1］等人于1994 年提出。通过剔除粗骨料、优化颗粒级配、使用聚羧酸减水剂、掺入活性矿物掺和料、掺入钢纤维和加温加压养护等方法降低UHPC 的孔隙率使得基体更加密实从而提高强度。我国规范《活性粉末混凝土》（GB/T31387-2015）［2］对UHPC 用原材料提出了明确的要求，但对于原材料的优化设计并没有提出明确要求。冷政［3］采用水泥、硅灰、微珠与偏高岭土等胶凝材料设计的UHPC 标养90 d 抗压强度可达208.8 MPa。刘永道［4］采用水泥、微珠、硅灰、河砂与石英粉等原材料制备出标养28 d抗压强度达179.6 MPa 的UHPC。

纳米材料是20 世纪末发展起来的一种新型材料，由于其独特的性能与广阔的应用前景，相关的研究取得了长足的发展，被誉为跨世纪的新材料。徐慎春、吴成清［5］研究了钢纤维与纳米SiO2、纳米CaCO3、纳米TiO2和Al2O3复掺对UHPC 力学性能的影响，结果表明2.5%超细钢纤维与3%纳米Al2O3组合对UHPC 的力学性能的增强最为明显。黄政宇、曹方良［6］，黄政宇、祖天钰［7］研究了纳米CaCO3对UHPC 性能的影响，结果表明掺入3%的纳米碳酸钙会导致UHPC 工作性能的下降，但力学性能的提升显著，与对照组相比抗折强度提升28.22%。YU［8］等将纳米SiO2用于UHPC 中并研究了其对UHPC 水化和微观结构发展的影响，纳米SiO2的成核效应补偿了由于大掺量高效减水剂引起的延缓水化作用；随着纳米SiO2的加入，UHPC 粘度增加，提高了体系中的含气量，在低孔隙率UHPC 的条件下，纳米SiO2的成核效应与引气效果可以得到很好的平衡。

氧化石墨烯（GO）具有独特的准二维层状结构，层间距为0.7～1.2 nm，弹性模量可达0.25 TPa，其表面含有大量的极性含氧基团如羟基、羧基、环氧基和酯基等，这使得GO 具有活性且易与许多聚合物基质相容，因此成为提高水泥基材料密实度的理想材料。雷斌［9］研究了氧化石墨烯对再生混凝土的性能影响，结果表明掺入氧化石墨烯能够提高混凝土的抗压和抗折强度，再生混凝土中掺入氧化石墨烯后的抗冻性能先下降后提高，掺入0.06% GO 使再生砂浆和普通砂浆的微观结构更加致密，孔隙率降低，生成了更多的水化产物。WU 等［10］研究了氧化石墨烯混凝土的力学性能，结果表明：当GO 掺量为0.03%时，混凝土的劈拉强度最大，混凝土的力学性能随着GO 掺量的增加而提高。LU 等［11］研究了氧化石墨烯（GO）纳米片对超高强混凝土力学性能的影响，结果表明随着纳米GO 的掺入，流动度降低，适当的掺量和良好分散GO 纳米片能够有效地提升超高强混凝土的力学性能。但GO 对UHPC 力学性能的影响却鲜有报道。

基于以上文献，本文制备了氧化石墨烯超高性能混凝土（GO-UHPC），研究了标准养护下与蒸汽养护下GO 对UHPC 流动度、抗压强度、抗折强度等性能的影响，为GO-UHPC 的发展及可能工程应用进行了探索。

1 试验

1.1 试验材料

水泥采用哈尔滨亚泰集团生产的天鹅牌P.O.425 水泥；硅灰平均粒径为0.1 um，比表面积大于16×104 cm2/g，SiO2含量为95.3%；S95 矿粉，比表面积为418 kg/m2；一级粉煤灰，300～400 目；所用砂为机制石英砂；石英粉目数为300 目；减水剂采用上海锦宣实业公司提供的白色粉末状聚羧酸高效减水剂，减水率30%以上；氧化石墨烯由深圳烯材科技有限公司提供，其主要片径分布范围为0.5～3 um，单层率为91%，平均厚度为1.1～1.2 nm，具有良好分散性。试验配合比表1，GO 掺量分别为0、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%，并分别以GUh-0、GUh-1、GUh-2、GUh-3、GUh-4 表示。

表1 超高性能混凝土配合比

1.2 试验制备

将胶凝材料、机制石英砂与减水剂一同倒入搅拌锅中，干拌2 min，在之后的30 s 内，将制备的氧化石墨烯分散液均匀投入到搅拌锅中，低速搅拌2 min，再高速搅拌3 min。搅拌完成后倒入40×40×160 mm试模中，及时覆盖塑料保鲜膜，将试件置于养护室内静停24 h 后拆模。试件分别放置在标准养护室与蒸汽养护中，其中蒸汽养护是以15 ℃/h 的升温升至90 ℃保持48 h，再以10 ℃/h 降温至室内温度，最后移入标准养护室中养护至检测龄期。

1.3 试验方法

流动度按照《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T2419-2015）规定的跳桌法进行；强度测试按照《活性粉末混凝土》（GB/T31385-2015）要求，抗折强度加荷速率为0.1 MPa/s，抗压强度加荷速率为1.2 MPa/s。

2 结果与分析

2.1 GO 对UHPC 流动度的影响

图1 为掺入氧化石墨烯后GO-UHPC 的流动度大小，可以看到，随着氧化石墨烯的掺入，流动度呈逐渐降低的趋势，掺入0.01%与掺入0.02%时流动度变化不大。由于氧化石墨烯的粒径非常小，具有小尺寸效应，能够填充胶凝材料中的孔隙，置换出部分自由水，导致胶凝材料能接触到的自由水变少；GO 较大的比表面积所需的表层吸附水量增加，对胶凝材料需水量的影响较大，导致UHPC 基体的稠度增加，粘聚性增强，流动度下降。

图1 GO 对UHPC 流动度的影响

2.2 GO 对UHPC 抗压强度的影响

图2 为蒸汽养护和标准养护时氧化石墨烯对超高性能混凝土抗压强度的影响。从图中可以看出，在蒸养与标养的条件下抗压强度均随着氧化石墨烯的掺入而提高。在蒸汽养护的条件下，当掺入0.02%GO 时，GO-UHPC 抗压强度达到最大值，7 d、28 d、56 d 的抗压强度分别为97.56 MPa、125.91 MPa 和130.12 MPa。与未掺入GO 的基准UHPC 相比，7 d、28 d、56 d 的抗压强度分别为90.86 MPa、108.01 MPa 和112.58 MPa，同比提升7.37%、16.6%和15.58%。在标准养护条件下，强度规律亦是如此。掺入0.02%GO 抗压强度分别提升5.33%、1.83%和7.46%，相比蒸汽养护提升非常小。一方面是由于蒸汽养护能够加快水化速率，促进C-S-H 凝胶的形成，火山灰效应明显，导致在蒸汽养护下UHPC 的抗压强度远远大于标准养护下的UHPC［12］；另一方面说明氧化石墨烯具有一定的促进水化作用，能够进一步填充UHPC 水泥基的孔隙，提高密实度，达到提高抗压强度的效果。对比标准养护和蒸汽养护的强度可以发现，标准养护的后期强度增长率明显高于蒸汽养护增长率，其原因主要与水化程度有关。

图2 GO 对UHPC 抗压强度的影响

2.3 GO 对UHPC 抗折强度的影响

图3 为蒸汽养护与标准养护的条件下，氧化石墨烯对超高性能混凝土抗折强度的影响。从图中可以看出GO 对超高性能混凝土抗折强度的影响与抗压强度相似，在蒸汽养护下，当掺入0.02%的GO 时UHPC 的抗折强度在7 d、28 d、56 d 分别为20.83 MPa、23.17 MPa 和24.82 MPa，与不掺GO 的对照组相比分别提升了7.04%、13.2%和5.57%。而在标准养护的条件下，掺入0.03%GO 抗折强度高于同条件下0.02%掺量的GO-UHPC，28 d 抗折强度提升17.4%。说明在适当的掺量下，氧化石墨烯有效提高了基体的密实性，延缓了裂纹出现的时间，提高了GO-UHPC 抵抗应变的能力。