氧化石墨烯對(duì)硫鋁酸鹽水泥性能影響

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(1.武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023；2.武漢大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

氧化石墨烯(GO)是一種高度親水的二維納米薄片材料，縱橫向尺寸比達(dá)到30000，同時(shí)能達(dá)到300GPa的楊氏模量和112GPa的內(nèi)部強(qiáng)度[1-6]，因此它成為膠凝材料的外加劑具有巨大的潛力。

然而在GO對(duì)硫鋁酸鹽水泥的影響方面并沒有太多研究。為了研究GO對(duì)硫鋁酸鹽水泥的影響，本文對(duì)比了不同水灰比下，不同GO摻量硫鋁酸鹽水泥的流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間，得出硫鋁酸鹽水泥在該條件下的綜合最佳水灰比。然后在最佳水灰比下，對(duì)不同GO摻量的硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行28天的抗壓試驗(yàn)，對(duì)比GO的摻量對(duì)硫鋁酸鹽水泥抗壓強(qiáng)度的影響，以研究GO對(duì)硫鋁酸鹽水泥的改善情況。

1試驗(yàn)

1.1材料

GO是通過Hummers法生產(chǎn)，用去離子水稀釋后，通過數(shù)控超聲波清洗器(KH-500DE)超聲處理45min制備。

所用水泥為唐山市北極熊建材有限公司的42.5硫鋁酸鹽水泥，聚羧酸減水劑為上海欽和化工有限公司的聚羧酸高性能減水劑。

表1 水泥主要成分

1.2試樣制作及試驗(yàn)方法

該硫鋁酸鹽水泥流動(dòng)度的檢測(cè)，依據(jù)規(guī)范《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》。取聚羧酸減水劑摻量為硫鋁酸鹽水泥質(zhì)量的0.5%，均勻分散在水中。濕布擦凈攪拌機(jī)(NJ―160)、攪拌鍋和玻璃板及截錐圓模。稱取一定質(zhì)量硫鋁酸鹽水泥倒入鍋中，按0.18、0.20、0.22不同水灰比，和0、0.02、0.04、0.06%四個(gè)不同GO摻量(硫鋁酸鹽水泥質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，倒入分散了粉體聚羧酸減水劑的水和GO懸浮液，立即慢攪120s停15s快攪120s。將倒入截錐圓模刮平，垂直并快速將截錐圓模拿起，30s后量取平均流淌直徑作為流動(dòng)度值。

該硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間的檢測(cè)，依據(jù)規(guī)范《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》。各材料比例和攪拌順序與流動(dòng)度檢測(cè)相同。分別測(cè)定初凝時(shí)間和終凝時(shí)間。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為18～22℃。

抗折和抗壓強(qiáng)度的試樣制備。稱取0.5%水泥用量的粉末聚羧酸減水劑，分散在水中。稱取一定質(zhì)量硫鋁酸鹽水泥倒入攪拌鍋中，按流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)得出的最佳水灰比，和0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10%六個(gè)不同GO摻量，倒入分散了粉體聚羧酸減水劑的水和GO懸浮液，先慢攪120s停15s再快攪120s。漿體倒入40mm×40mm×160mm的三聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)模具里，在振實(shí)臺(tái)(ZS-15)振實(shí)120下，附膜密封，放置室溫下24h后脫模。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20℃±2℃，相對(duì)濕度98%)中分別養(yǎng)護(hù)至3d、7d、28d。后在壓折試驗(yàn)機(jī)(YAW-300，抗折試驗(yàn)的加載速率50N/s，抗壓試驗(yàn)的加載速率2.4kN/s)上進(jìn)行抗壓和抗折試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1流動(dòng)度

測(cè)得各組硫鋁酸鹽水泥流動(dòng)度在不同水灰比下隨GO摻量變化情況如圖1所示。從圖中能明顯看出，在三組不同水灰比下，各流動(dòng)度都隨GO摻量的增多而減少。這一變化趨勢(shì)很好的體現(xiàn)了GO的高親水吸附性。尤其在0.18低水灰比下，GO摻量的改變對(duì)流動(dòng)度的影響尤為顯著，甚至GO摻量為0.06%組的流動(dòng)度只有不加GO的對(duì)照組的46.7%。

但是0.22水灰比時(shí)，未摻G0的水泥流動(dòng)度太高，接近流動(dòng)度測(cè)試有效值的上限250mm，漿體入模后會(huì)出現(xiàn)滲水分層現(xiàn)象，不適合后期作為空白對(duì)比組的強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖1 流動(dòng)度

2.2凝結(jié)時(shí)間

各組硫鋁酸鹽水泥初凝時(shí)間在不同水灰比下隨GO摻量變化的情況如圖2所示。從折線圖上看， GO摻量不高于0.04%時(shí)，三組水灰比下的初凝時(shí)間和流動(dòng)度都減少，因?yàn)镚O的摻入吸附了一定量的過多自由水，促進(jìn)早期強(qiáng)度形成。GO摻量為0.04%時(shí)，有最快的初凝時(shí)間，與不加GO組相比平均降低了28.8%的初凝時(shí)間，最多降低了30.4%。而GO摻量高于0.04%時(shí)，三組水灰比下的初凝時(shí)間都開始增加，表明這個(gè)時(shí)候摻入GO已經(jīng)開始影響硫鋁酸鹽水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程了。

圖2 初凝時(shí)間

各組硫鋁酸鹽水泥終凝時(shí)間在不同水灰比下隨GO摻量變化的情況如圖3所示。從折線圖上看，不同GO摻量和水灰比下，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間具有高度相似的變化情況，0.04%的GO摻量下終凝時(shí)間最短，與不加GO組相比平均降低了29.6%的初凝時(shí)間，最多降低了34.2%。

圖3 終凝時(shí)間

但后期強(qiáng)度試樣制作過程中，需要入模并振動(dòng)密實(shí)，0.18水灰比下初凝和終凝時(shí)間分別達(dá)到了22min和25min,會(huì)發(fā)生凝結(jié)先于密實(shí)的情況，導(dǎo)致試件內(nèi)部存在大量大孔隙，干擾GO摻量對(duì)試樣強(qiáng)度影響對(duì)比。

綜合考慮流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間的變化情況，0.22水灰比下不加GO組流動(dòng)度太大，而0.18水灰比下凝結(jié)時(shí)間太短，故硫鋁酸鹽水泥在該條件下的最佳水灰比為0.20。

2.3抗壓強(qiáng)度

硫鋁酸鹽水泥試樣在最優(yōu)水灰比0.20下的28天抗壓強(qiáng)度折線圖如圖4所示。

圖4 硫鋁酸鹽水泥28天抗壓強(qiáng)度

在GO摻量不高于0.06%時(shí)，硫鋁酸鹽水泥試樣的抗壓強(qiáng)度隨GO摻量增多而減少。在GO摻量為0.08%時(shí)，硫鋁酸鹽水泥試樣抗壓強(qiáng)度最優(yōu)達(dá)到了83.3MPa，比沒有加入GO組的抗壓強(qiáng)度高14.3%，比最劣組提高了46.7%。由于高親水吸附性的GO吸附了一定量的過多自由水，和溶解的水泥顆粒，促進(jìn)水化產(chǎn)物形成致密有序的結(jié)構(gòu)，從而提高試件強(qiáng)度。當(dāng)GO摻量高于0.08%時(shí)，硫鋁酸鹽水泥試件抗壓強(qiáng)度反而減少，因?yàn)镚O摻量過大，一方面不容易分散，另一方面由于其吸附性使得可以參與水化反應(yīng)的自由水減少過多。

綜合抗壓和抗折強(qiáng)度的變化情況，在0.20最優(yōu)水灰比下，GO摻量0.08%為硫鋁酸鹽水泥后期強(qiáng)度最優(yōu)摻量。

3結(jié)論

(1)在0.18、0.20、0.22三個(gè)水灰比下， 硫鋁酸鹽水泥流動(dòng)度隨GO摻量(0、0.02%、0.04%、0.06%)增加而減少。在0.18低水灰比下尤為明顯，GO摻量為0.06%組的流動(dòng)度只有不加GO的對(duì)照組的46.7%。

(2)凝結(jié)時(shí)間在GO摻量不高于0.04%前都隨GO摻量增加而減少，高于這個(gè)值之后開始增加。GO摻量為0.04%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間最快，與不加GO組相比平均降低了29%，最多降低了34.2%。

(3)綜合0.22水灰比下不加GO組流動(dòng)度太大，而0.18水灰比下凝結(jié)時(shí)間太短，得出該水泥在0.5%聚羧酸減水劑摻量下的最優(yōu)水灰比為0.20。

(4)在0.20最優(yōu)水灰比時(shí)，硫鋁酸鹽水泥的28天抗壓強(qiáng)度，在GO摻量不高于0.06%前都隨GO摻量增加而減少；在0.08%時(shí)最優(yōu)達(dá)到83.3MPa，比沒有加入GO組高14.3%，比最劣組高46.7%，高于這個(gè)值之后開始減少，即0.08%為0.20最優(yōu)水灰比下硫鋁酸鹽水泥后期強(qiáng)度的GO最佳摻量。