氧化石墨烯混凝土研究综述及展望

林泽桦　王兵　闵金伟

摘 要：氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）混凝土作为一种新型材料，具有良好的力学性能和耐久性。因此，综述GO的特性、制备技术及其对混凝土工作性能、力学性能及耐久性的影响。结果表明，目前对于GO混凝土的研究仍处于初步探索阶段，由于其自身优异的性能，未来将成为工程领域研究的热点。

关键词：氧化石墨烯（GO）;GO混凝土;工作性能;力学性能;耐久性

中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）11-0120-03

Review and Prospect of Graphene Oxide Concrete

LIN Zehua WANG Bing MIN Jinwei

（School of Civil and Surveying Engineering， Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou Jiangxi 341000）

Abstract： As a new material， graphene oxide concrete has good mechanical properties and durability. This paper summarizes the characteristics and preparation technology of graphene oxide， and the influence of graphene oxide on the workability， mechanical properties and durability of concrete. The results show that the research of graphene oxide concrete is still in the initial stage of exploration. Due to its excellent performance， it will become a research hotspot in the engineering field in the future.

Keywords： Graphene Oxide（GO）;Graphene Oxide concrete;working performance;mechanical property;durability;review and prospect

自問世以来，混凝土一直是工程领域的重要建筑材料。由于其具有材料来源广泛、价格低以及可塑性好等优势，因此被广泛应用于桥梁、道路、房建以及大坝等重要领域。近年来，随着国家的快速发展，我国越来越向大跨度、超高层、跨海和大型重力坝等特大工程项目发展。传统混凝土在实际工程中暴露出抗拉强度低、耐久性不足、早期易开裂以及混凝土服役年限远远低于其设计使用年限等问题。

为了改善传统混凝土技术存在的耐久性不足、抗拉强度低等问题，一些学者[1-2]对混凝土进行了研究。例如，有人将纤维加入混凝土中制备出了纤维混凝土，能改善混凝土抗拉强度、韧性，抑制早期裂纹和有效阻止混凝土大裂纹的形成。但是，纤维的加入并没有从根本上改变混凝土自身的结构和韧性，只是纤维自身特性改变了混凝土整体结构的强度和韧性。

近年来，氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）混凝土引起了人们的关注，国内外一些学者对GO混凝土展开了一系列研究。薛立强研究发现，将GO以外加剂的形式加入混凝土，能明显改善混凝土的力学性能和抗氯离子性能[3]。饶春华在水泥砂浆和混凝土中加入GO，结果显示，GO能改善水泥砂浆和混凝土的抗压强度和耐久性等各项力学性能[4]。LI等通过在水泥浆体中加入GO，证明相较于普通混凝土，GO混凝土的电阻系数和抗压强度都有明显改善[5]。

1 氧化石墨烯

氧化石墨烯（GO）是石墨烯的一种衍生物，是石墨烯氧化过程的中间产物。GO表面存在大量含氧官能团，如图1和图2所示，因此其性质比石墨烯更活泼，经氧化后仍保持了石墨的单层片状结构。亲水性分子和聚合物通过与GO表面含氧官能团反应形成离子键，共价键氢键等插入GO层间形成化合物，所以GO具有很好的亲水性。

2 氧化石墨烯对混凝土工作性能的影响

邱文俊等研究了不同掺量的GO对超高性能混凝土流动度的影响[6]。结果表明，随着GO掺量百分比的提高，超高性能混凝土流动度逐渐降低。这是因为GO具有超小的尺寸和粒径，在胶凝材料中具有的小尺寸效应和GO自身较大的比表面积，使得超高性能混凝土的流动度降低[7]。吕生华等通过研究GO对掺有聚羧酸系减水剂的水泥净浆流动度、黏度和凝结时间的影响时发现，与未掺有GO的水泥净浆相比，GO能够明显增加水泥净浆的黏度，降低水泥净浆的凝结时间[8]。究其原因，可能是GO表面含有的大量含氧官能团与水反应，减少了水泥净浆中自由水的含量、GO的小尺寸效应和较大的比表面积。刘洋等在GO等纳米材料对水泥基复合材料性能改善研究综述中提到，GO有很好的亲水性，GO片层有较大的比表面积吸附水分子[9]。由于缺乏游离的水，胶凝颗粒和材料之间缺乏润滑，增大了摩擦力，导致混凝土流动性降低，减小了坍落度，降低了工作性能，且随着GO掺量的增加，混凝土的工作性能越来越差。徐朋辉等研究发现，GO能明显促进粉煤灰水泥水化速率，使水化提前，并随着GO掺量的提高，现场愈加显著[10]。

3 氧化石墨烯对混凝土力学性能的影响

李梅萍提出石墨烯自身特有的材料性能与再生混凝土结合，解决了再生骨料大量的微裂纹和再生混凝土强度低等问题，促进了建筑垃圾-再生骨料的循环利用，符合绿色发展的生产理念[11]。研究表明，混凝土中掺入石墨烯可以大大降低混凝土生产过程中的CO2排放量。杨文玲等研究GO在掺量为0.08%的情况下，矿渣水泥28 d的抗压强度提高了10%，混凝土28 d的抗压强度提高了5.8%，且显著提高了混凝土的流动性、抗OH-的侵蚀系数和抗SO42-的侵蚀系数[12]。薛立强研究在隧道衬砌材料中以外加剂的形式添加不同掺量（0%、0.01%、0.02%、0.03%）的GO，并进行了各项力学性能测试[3]。结果表明，当GO的掺量为0.03%时，混凝土的各项力学性能提高最为明显。GO混凝土在标准养护28 d时，抗压强度为55.93 MPa，与普通混凝土相比提高了30.77%;抗折强度为10.90 MPa，与普通混凝土相比抗折强度提高了21.92%。郭凯等通过对纳米压痕测试GO在再生混凝土界面过渡的微观力学性能，发现GO能使再生混凝土新砂浆和骨料界面过渡区的宽度减少25%，使GO混凝土新旧砂浆界面过渡区宽度减少37.5%[13]。由于GO的加入，两种再生混凝土界面过渡区的弹性模量均有一定的提高，且对于GO新旧砂浆界面过渡区的弹性模量提高尤为明显。GO能明显改善混凝土界面过渡区的微观力学性能和微观结构。李加鹏等研究了5种不同GO掺量的GO混凝土，结果表明在单轴受压情况下，与不掺GO混凝土相比，抗压强度最大值可提高35%[14]。

4 氧化石墨烯对混凝土耐久性能的影响

薛立强利用氯离子扩散系数仪测定GO对水泥基复合材料抗氯离子侵蚀性能的影响，结果表明，与未掺加GO的水泥基复合材料相比，GO水泥基复合材料随着GO含量的提高，氯离子侵蚀深度逐渐降低且分布均匀，说明GO对水泥基复合材料抗氯离子侵蚀性能有明显的提高作用[3]。吕生华等通过调控水灰比研究不同掺量的GO（0.03%和0.05%）对超高性能水泥基复合材料的抗渗性、抗冻性和抗碳化性能的影响，结果表明，掺有氧化石墨烯的超高性能水泥基复合材料的抗渗性明显提高，说明氧化石墨烯对水泥基复合材料的致密性有明显的改善作用[15]。经过100次冻融循环，结果掺有GO的水泥基复合材料的质量和动态模量基本没有损失。掺有GO的水泥基复合材料的碳化深度明显小于未掺加GO的水泥基复合材料，说明掺有GO的水泥基复合材料的密实度好，能有效阻止CO2气体的渗入。

5 结论与展望

目前，GO混凝土仍处于初步发展阶段，国内对GO混凝土在工程上的应用仍然较少，但GO混凝土自身优异的性能得到了广泛关注，在未来的工程应用中将会成为热点问题。

①加入GO对混凝土的各项力学性能都有明显的改善作用，特别是对再生混凝土，很好地解决了再生混凝土强度低、达不到性能要求的问题，因为GO的加入，使得片成状生长更有序，结构更为致密。

②试验表明，GO水泥基复合材料的耐久性更好，很好地解决了混凝土早期易开裂损坏和混凝土结构易疲劳开裂的两大难题。

③随着GO的掺入，新拌混凝土的工作性能变差，且GO的掺量越大工作性能越差，因此如何有效改善这一问题是需要继续研究的一个重要课题。

参考文献：

[1]王艳，赵凯月，宋战平，等.钢-聚丙烯混杂纤维混凝土研究进展[J].硅酸盐通报，2015（7）：1885-1890.

[2]王志旺，杨鼎宜，王金辉，等.聚丙烯腈纤维混凝土耐久性能试验研究[J].混凝土与水泥制品，2019（11）：49-52.

[3]薛立强.氧化石墨烯对隧道衬砌混凝土性能的影响[J].科学技术与工程，2017（22）：124-128.

[4]饶春华.氧化石墨烯水泥基再生混凝土材料主要力学性能试验与分析[D].南昌：南昌大学，2016：23.

[5]LI W J，LI X Y，CHEN S J.Effects of graphene oxide on eraly-age hydration and electrical resistivity of Portland cement paste[J].Construction and Building Materials，2017（4）：506-514.

[6]邱文俊，罗旗帜，吴玉友，等.氧化石墨烯对大掺量矿物细粉超高性能混凝土力学性能的影响[J].佛山科学技术学院学报（自然科学版），2020（2）：5-10.

[7]MENG W，KHAYAT K H.Mechanical properties of ultra-high-performance concrete enhanced with graphite nanoplatelets and carbon nanofibers[J].Composites Part B，2016，107：113-122.

[8]吕生华，马宇娟，邱超超，等.氧化石墨烯增强增韧水泥基复合材料的研究[J].功能材料，2013（15）：2227-2231.

[9]刘洋，艾洪祥，岳彩虹，等.氧化石墨烯等纳米材料对水泥基复合材料性能改善研究综述[J].商品混凝土，2019（11）：24-30.

[10]徐朋輝，李相国，刘卓霖，等.氧化石墨烯对粉煤灰水泥的水化和力学性能的影响[J].硅酸盐通报，2016（12）：4066-4069.

[11]李梅萍.石墨烯混凝土智能特性、优化机理及其应用[J].中国高新科技，2019（19）：64-67.

[12]杨文玲，张虽栓，赵宗彦.氧化石墨烯对矿渣粉磨和水泥混凝土性能的影响[J].水泥，2018（6）：6-9.

[13]郭凯，马浩辉，王强.氧化石墨烯对再生混凝土界面过渡区的影响[J].建筑科学与工程学报，2018（5）：217-224.

[14]李加鹏，秦磊，赵鹏，等.氧化石墨烯混凝土的声发射检测[J].无损检测，2019（8）：6-10.

[15]吕生华，孙立，张佳，等.具有大规模规整致密花状微观结构形貌高/超高性能氧化石墨烯/水泥基复合材料[J].材料导报，2017（23）：78-84.