PC@GO對水泥基復(fù)合材料工作性能和力學(xué)性能的影響

李維超 許傳娣 李來波 蘆令超

(濟(jì)南大學(xué)山東省建筑材料制備與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250024)

水泥基復(fù)合材料在土木工程中有著廣泛的應(yīng)用。然而，水泥基復(fù)合材料抗裂縫形成能力差，這限制了其在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用[1]。有研究人員通過添加纖維的方法改善水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能[2]。但是纖維的添加僅能控制微米級和宏觀裂縫的擴(kuò)展，不具備抑制納米裂縫擴(kuò)展的能力。此外，一些纖維的加入會降低硬化水泥漿體的抗壓強(qiáng)度[3]。近年來，石墨烯作為一種二維層狀納米材料，具有較大的比表面積，良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，被廣泛用于水泥的增強(qiáng)材料[4]氧化石墨烯(GO)，其表面富含親水含氧基團(tuán)(-COOH， -OH)，可在水中穩(wěn)定存在[5,6]。然而，由于氧化石墨烯表面Ca2+和羧基絡(luò)合，導(dǎo)致水泥中出現(xiàn)薄弱區(qū)域，降低了力學(xué)性能，因此很難保證GO在水泥漿體中的良好分散。要提高水泥漿中GO的應(yīng)用價(jià)值，必須重視解決水泥漿中GO的聚集問題。本文通過超聲的方法將聚羧酸減水劑(PC)吸附到GO表面，研究其對水泥的工作性能與力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

普通硅酸鹽水泥(山東水泥有限公司)、GO(第六元素材料科技有限公司)固體含量為1%±0.2%。采用含固量30%的PC對GO進(jìn)行改性。

1.2 PC@GO的制備

將GO與PC按照固含量質(zhì)量比為1∶6混合攪拌1h，然后超聲0.5h得到PC@GO分散液。

1.3 水泥漿體的制備

按照表1制備水泥凈漿,并用于水泥性能測試。

表1 水泥漿體的配合比

2 儀器與表征

流動度測試：按照GB/T 8077-2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》對上述含有不同PC@GO摻量的水泥基復(fù)合材料進(jìn)行水泥凈漿流動度試驗(yàn)。

力學(xué)性能測試：將水泥漿體塊在養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù), 按照GB/T 17617-2007《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》測試其抗壓和抗折強(qiáng)度。

流變性能測試：采用配備的旋轉(zhuǎn)流變儀對水泥漿進(jìn)行動態(tài)屈服應(yīng)力測試。

吸水率測試：根據(jù)ASTM C1403J-15測定水泥硬化漿體的吸水率。

粘度測試：用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(NDJ-8S)對其進(jìn)行粘度測試。

凝結(jié)時(shí)間測試：按照GB/T 1346-2011《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》進(jìn)行測試。

3 結(jié)果及分析

3.1 流動度測試

圖1為不同摻量PC@GO對水泥漿體流動度的影響。從圖中可以看出隨著PC@GO摻量的增加，流動度呈現(xiàn)出增加的趨勢，當(dāng)摻量達(dá)到0.07%時(shí)，流動度達(dá)到134mm，相對對照組提高了65.4%。這是由于PC的摻入后，PC會吸附到水泥顆粒表面，導(dǎo)致水泥絮凝結(jié)構(gòu)解體將包裹的水分子釋放出，從而使水泥漿體的流動度明顯增加。

圖1 PC@GO對水泥漿體流動度的影響

3.2 粘度測試

圖2為不同摻量PC@GO對水泥漿體粘度的影響。在某一剪切速率下,剪切應(yīng)力與剪切速率之比叫粘度，同一泥漿在不同的剪切速率下表觀粘度不同。從圖2中看出隨著PC@GO摻量的增加，粘度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，這一趨勢與流動度相反，這是由于PC的潤滑作用導(dǎo)致的。減水劑中的親水基極性很強(qiáng)，因此水泥顆粒表面的減水劑吸附膜能與水分子形成一層穩(wěn)定的溶劑化水膜，能有效降低水泥顆粒間的滑動阻力，從而使水泥漿體的粘度發(fā)生明顯的降低，這進(jìn)一步說明PC@GO的加入明顯改善了漿體的工作性能。

圖2 PC@GO對水泥漿體粘度的影響

3.3 流變性能測試

不同摻量PC@GO對水泥漿體流變性能的影響如圖3所示。屈服應(yīng)力是表示使水泥漿像液體一樣流動所需的最小應(yīng)力，它可以用于表征水泥基材料中水泥漿體的流動性。本文采用了Herschel-Bulkley模型對水泥漿體用變剪切測試后得到的曲線進(jìn)行非線性擬合，擬合曲線的截距代表動態(tài)屈服強(qiáng)度的大小。從圖3中可以看出隨著摻量的增加動態(tài)屈服應(yīng)力逐漸下降，這再一次證明PC@GO對水泥漿體的工作性能有積極影響，消除了GO降低水泥漿體流動度的不利影響。

圖3 PC@GO對水泥漿體動態(tài)屈服應(yīng)力的影響

3.4 時(shí)間測試

由圖4可以看出，不同摻量的PC@GO的加入均延緩了水泥漿體的凝結(jié)時(shí)間，并且隨著濃度的增加初凝和終凝時(shí)間也不斷延長。這是由于水泥基復(fù)合材料的凝結(jié)時(shí)間的長短受到水泥顆粒表面和水接觸的面積的影響，而PC會大量消耗水泥孔溶液中的Ca2+并且梳狀形貌的PC會由于靜電吸附包裹在水泥顆粒表面阻礙了水泥與水分子結(jié)合從而延緩了水泥的水化，當(dāng)PC@GO的含量進(jìn)一步增加時(shí)，對水泥硬化漿體的緩凝作用進(jìn)一步加大。

圖4 PC@GO對膠凝材料凝結(jié)時(shí)間的影響

3.5 吸水率測試

Control、0.01%、0.03%、0.05%和0.07%樣品的吸水率測試結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，隨著PC@GO摻量的增加，吸水率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。0.05%樣品的3d齡期的吸水率最低相對對照組降低了6.5%。這是由于氧化石墨烯為二位片層材料，其具有細(xì)化孔隙、阻斷孔隙的作用。

圖5 PC@GO對水泥硬化漿體吸水率的影響

3.6 力學(xué)性能測試

不同摻量PC@GO對水泥硬化漿體不同齡期力學(xué)性能的影響如圖6所示?？梢钥闯鲭S著PC@GO摻量的增加，力學(xué)性能呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，這是由于氧化石墨烯的加入可以有效改善水泥硬化漿體的形貌、細(xì)化孔隙以及提高致密度。

圖6 PC@GO對水泥硬化漿體力學(xué)性能的影響

4 結(jié) 論

隨著PC@GO摻量的增加，水泥漿體的工作性能增加，并且隨著摻量的增加，凝結(jié)時(shí)間越長。當(dāng)PC@GO的摻量為0.05%時(shí)，3d齡期的抗壓抗折強(qiáng)度分別比對照樣品提高了13.8%和33.3%。