陳亞兵，嚴澤稷，魯 婭，林 康，李月星，張 芳*

1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；

2.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；

3.武漢源錦商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430064

硅灰與氧化石墨烯對硬化水泥漿體的復(fù)合增強效應(yīng)

陳亞兵1，嚴澤稷2，魯 婭3，林 康1，李月星1，張 芳1*

1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；

2.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；

3.武漢源錦商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430064

研究了硅灰與氧化石墨烯復(fù)摻時對硬化水泥漿體力學(xué)性能的影響.分別進行了普通水泥漿體、內(nèi)摻質(zhì)量分數(shù)10%的硅灰水泥、外摻質(zhì)量分數(shù)0.8%的氧化石墨烯復(fù)合聚羧酸減水劑（GOPCs）水泥漿體以及同時內(nèi)摻硅灰與外摻GOPCs的水泥漿體的配制.對4種硬化水泥漿體的抗折強度、抗壓強度以及90 d齡期孔隙率進行了測定，同時采用X射線衍射儀及掃描電子顯微鏡對水泥水化產(chǎn)物進行分析，并將4種樣品的力學(xué)性能進行比較.結(jié)果表明，當(dāng)摻10%硅灰時，硬化水泥漿體90 d抗壓強度比空白樣提高了3.6%，抗折強度提高了9.6%；當(dāng)只使用氧化石墨烯復(fù)合聚羧酸減水劑而不摻硅灰時，抗壓強度提高了11.9%，抗折強度提高了15.3%；當(dāng)硅灰與氧化石墨烯復(fù)摻時，抗壓強度提高了22.7%，抗折強度提高了38.6%.孔隙率的變化以及XRD、SEM分析證實了這一結(jié)果.因此，硅灰與氧化石墨烯復(fù)合聚羧酸減水劑對硬化水泥漿體具有復(fù)合增強作用.

氧化石墨烯復(fù)合聚羧酸減水劑；硅灰；復(fù)合增強

由于房地產(chǎn)及基礎(chǔ)建筑設(shè)施的飛速發(fā)展，混凝土材料因來源豐富、可塑性好、強度高，成為當(dāng)今消耗量最多的建筑材料［1］.混凝土是由水泥、砂、石等組成的混合物，顆粒之間必然會存在空隙，在拌制混凝土的過程中應(yīng)盡量選擇合適的級配以減小孔隙率進而提高混凝土的強度.因此減小混凝土中的孔隙率是提高混凝土性能的最主要方法［2］.水泥在結(jié)晶硬化的過程中會形成較雜亂的結(jié)晶石水化硅酸鈣（C-S-H）、氫氧化鈣［Ca（OH）2］.這些結(jié)晶之間也存在空隙，對混凝土的力學(xué)性能有一定影響［3］.有研究表明，氧化石墨烯摻入水泥基材料中能減小水泥基材料的孔隙率.具有優(yōu)異力學(xué)性能的石墨烯以及氧化石墨烯作為摻合料摻入水泥基材中時其本身提供力學(xué)性能外，還能調(diào)控水泥水化結(jié)晶，促進水泥的水化并形成更多C-S-H凝膠填充孔隙，氧化石墨烯片狀結(jié)構(gòu)使得水化產(chǎn)物排布更緊密，減小膠凝孔隙率［4-6］.在水泥基材料中，加入氧化石墨烯之后，由于氧化石墨烯獨特的二維納米片層結(jié)構(gòu)和其優(yōu)異的力學(xué)性能、大的比表面積及豐富的含氧基團，混凝土中水化礦物將在氧化石墨烯表面水化結(jié)晶從而調(diào)控水泥結(jié)晶可以顯著改善混凝土的強度和韌性［7］.

硅灰是硅鐵合金冶煉過程中，從電爐煙道廢棄中收集的超細粉末.硅灰的比表面積高，并具有很高的火山灰活性，能與水泥水化過程中生成的氫氧化鈣反應(yīng)，生成C-S-H凝膠［8-9］.然而水泥水化過程中除了生成C-S-H凝膠，還生成氫氧化鈣及水化硫鋁酸鈣［10-11］.并且水化產(chǎn)物受多因素的影響，種類以及數(shù)量會有所區(qū)別，如硅灰和粉煤灰［12-13］以及聚羧酸減水劑［14］.在氧化石墨烯水泥基材料中，除了硅酸鈣水化凝膠會聚集在氧化石墨烯片狀結(jié)構(gòu)上以外，生成的氫氧化鈣也會在氧化石墨烯片狀結(jié)構(gòu)上結(jié)晶，從而影響混凝土強度.

為改善上述問題，使氧化石墨烯增強的水泥基材的強度進一步提升，本文用硅灰替代部分水泥，使硅灰與氫氧化鈣反應(yīng)生成C-S-H凝膠，減少氫氧化鈣在氧化石墨烯表面的結(jié)晶體，從而減小孔隙率以及氫氧化鈣與凝膠的界面［15-16］，提升水泥基材的力學(xué)性能.這也是本文的創(chuàng)新點所在.本文另一個創(chuàng)新點在于，為了使氧化石墨烯片狀結(jié)構(gòu)均勻分散，從而制備出分布均勻的硅灰與氧化石墨烯復(fù)摻的水泥漿體，文中制備了氧化石墨烯復(fù)合聚羧酸減水劑，通過聚羧酸減水劑的均勻吸附作用［17］使氧化石墨烯在水泥漿體中均勻分布.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

粉狀石墨，質(zhì)量分數(shù)98%的濃硫酸，高錳酸鉀，質(zhì)量分數(shù)30%的過氧化氫，質(zhì)量分數(shù)98%的丙烯酸，馬來酸酐，甲基烯丙基聚氧乙烯醚，硅灰，42.5華新水泥，過硫酸銨（分析純），亞硫酸氫鈉（分析純），實驗中所用的水為自來水.

1.2 氧化石墨烯復(fù)合聚羧酸減水劑的合成

使用Hummer法［18］制備氧化石墨烯（graphene oxide，GO）溶液.稱取4 g石墨粉在24 mL濃H2SO4和8 g K2S2O4的條件下預(yù)氧化后烘干.烘干后取2 g預(yù)氧化石墨并在100 mL濃H2SO4和3 g的NaNO3開始攪拌，在冰浴下緩慢加入15 g的KMnO4.添加完后升溫到35℃攪拌2 h，再升溫至80℃攪拌15 min.抽濾、離心洗滌后得到GO水溶液備用.

將制備得到的GO水溶液與質(zhì)量分數(shù)40%的甲基烯丙基聚氧乙烯醚溶液以及過硫酸銨混合，充分攪拌后升溫至80℃.緩慢滴加30%丙烯酸溶液、30%馬來酸酐溶液以及1%的亞硫酸氫鈉溶液.滴加完畢后保溫2 h，反應(yīng)完成后補充適量水調(diào)節(jié)其固含量為30%.即得到氧化石墨烯復(fù)合聚羧酸減水劑（graphene oxide/polycarboxylate superplasticizer，GOPCs）.并用同樣方法制備的普通聚羧酸減水劑（polycarboxylate superplasticizer，PCs）作為對照.

1.3 硅灰氧化石墨烯復(fù)摻水泥漿體的制備

實驗中設(shè)計水泥漿體的水膠質(zhì)量比為0.3，因為摻硅灰后水泥漿體的流動性下降，為了減小漿體流動性對硬化水泥漿體強度的影響，實驗過程中調(diào)節(jié)減水劑的用量使4組水泥漿體的流動度相差不大，約為240 mm左右.對于水膠質(zhì)量比0.3的混凝土來說硅灰的摻量在5%～10%時混凝土的力學(xué)性能呈現(xiàn)上升趨勢，若繼續(xù)增大則性能有所下降［19］.因此，上述實驗中當(dāng)摻硅灰時，硅灰的摻量均控制質(zhì)量分數(shù)為10%.將水泥倒入攪拌鍋中邊低速攪拌邊加入水以及減水劑，2 min后高速攪拌2 min，然后將漿料注入40 mm×40 mm×160 mm的模具中養(yǎng)護.依照此方法制備4組水泥漿體試塊樣，分別為：不摻硅灰并使用普通減水劑樣，命名為PCs-CP；不摻硅灰并使用氧化石墨烯復(fù)合減水劑樣，命名為GOPCs-CP；摻硅灰使用普通減水劑樣，命名為SFPCs-CP；摻硅灰使用氧化石墨烯復(fù)合減水劑樣，命名為SFGOPCs-CP.

1.4 表征與測試

對合成的GOPCs以及PCs減水劑進行傅立葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR）表征，對制備的4組硬化水泥漿體進行力學(xué)性能測試（抗折強度以及抗壓強度），利用浸水法對4組硬化水泥漿體進行孔隙率測定，對4組硬化水泥漿體進行X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）分析，采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對4組硬化水泥漿體進行斷面掃描.

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化石墨烯復(fù)合聚羧酸減水劑的結(jié)構(gòu)

GOPCs與PCs減水劑的FT-IR如圖1所示.曲線a為GOPCs的紅外吸收峰，曲線b為PCs的紅外吸收峰.圖1中3 441 cm-1處為游離羥基的吸收峰.并且氧化石墨烯復(fù)合減水劑在該處峰強度大于普通減水劑，是由于氧化石墨烯上含有豐富的羥基，而且由于締合氫鍵作用曲線a在3 240 cm-1處出現(xiàn)一個吸收峰，說明氧化石墨烯與聚羧酸減水劑分子之間形成了締合氫鍵.2 876 cm-1處為飽和C-H的伸縮振動峰，1 731 cm-1處為C=O的伸縮振動峰，是由于分子間羧基締合而形成.1 643 cm-1處為C=C鍵的吸收峰，說明樣品中存在未聚合的單體.1 454 cm-1處為C-H的反對稱伸縮振動峰.1 351 cm-1為羥基O-H面內(nèi)彎曲振動.1 250 cm-1處為C-C骨架振動峰.1 105 cm-1處為C-O-C的不對稱伸縮振動峰.而且曲線a在此處的吸收強度較曲線b更強，是因為氧化石墨烯表面也存在大量的醚鍵.由紅外光譜可知氧化石墨烯與聚羧酸減水劑分子之間通過締合氫鍵使聚羧酸減水劑分子附著在氧化石墨烯表面.

圖1 氧化石墨烯復(fù)合減水劑（GOPCs）與普通減水劑（PCs）的FT-IRFig.1 FT-IR spectra of GOPCs and PCs

2.2 水泥漿體的工作性能與力學(xué)性能

實驗中以硅灰為礦物摻和料，以實驗合成的氧化石墨烯復(fù)合減水劑以及普通減水劑為化學(xué)外加劑制備水泥漿體.漿體的水膠質(zhì)量比均為0.3.實驗過程中，由于摻硅灰后水泥漿體的流動性下降比較嚴重，因此通過調(diào)節(jié)減水劑的用量使4組水泥漿體的流動度大體保持一致.另外，為了使GO的用量保持一致，都使用0.8%摻量的GOPCs，當(dāng)摻硅灰時，調(diào)節(jié)流動度所使用的額外減水劑用普通PCs代替.制備的上述4組水泥漿體的流動度如表1所示.分別測量3 d、7 d、28 d、90 d齡期強度，結(jié)果如圖2所示.從圖中曲線可知，相較于只使用普通減水劑制備的水泥漿體，PCs-CP試塊，當(dāng)同時摻硅灰并使用含氧化石墨烯的復(fù)合減水劑時，制備的水泥漿體試塊SFGOPCs-CP強度最高.當(dāng)只摻10%的硅灰時，F(xiàn)SPCs-CP試塊相較于普通PCs-CP試塊，其90 d抗壓強度提升為3.6%，抗折強度提升為9.6%.28 d抗壓強度相對于PCs-CP試塊有所下降，這可能是由于水泥漿體流動度相對較小造成的；當(dāng)只使用氧化石墨烯復(fù)合聚羧酸減水劑而不摻硅灰時，GOPCs-CP試塊相較于普通PCs-CP試塊，抗壓強度提升為11.9%，抗折強度提升為15.3%；當(dāng)同時摻10%硅灰并使用氧化石墨烯復(fù)合聚羧酸減水劑時，SFGOPCs-CP試塊相較于普通PCs-CP試塊，抗壓強度與抗折強度均提升最大，分別為22.7%、38.6%.由上述結(jié)果可知，硅灰與氧化石墨烯共同作用于水泥漿體時具有復(fù)合增強效果.

表1 水泥漿體流動度Tab.1 Fluidity of cement paste

2.3 硬化水泥漿體微觀孔隙率

實驗中測量上述4組實驗樣品90 d齡期孔隙率.測量方法根據(jù)阿基米德原理使用浸水法測量.先將樣品于烘箱中烘干至恒重，測得樣品的干重為m0，然后將樣品置于水中浸泡12 h，再煮沸4 h后冷卻至室溫繼續(xù)浸泡12 h，讓水充分滲透進水泥漿體孔隙中.浸泡充分后取出稱其濕重m1，然后用浸水天平測得其在水中重量m2，根據(jù)公式

圖2 硬化水泥漿體力學(xué)性能：（a）抗壓強度；（b）抗折強度Fig.2 Mechanical properties of hardened cement paste：（a）Compressive strength；（b）Flexural strength

計算孔隙率.其結(jié)果如表2所示.由表2可知，當(dāng)不摻硅灰并使用普通減水劑時，測得樣品的孔隙率為30.7%.當(dāng)單獨摻硅灰或者單獨使用氧化石墨烯復(fù)合減水劑時，都能減小水泥漿體的孔隙率，但是單獨使用氧化石墨烯時水泥漿體孔隙率更低.當(dāng)同時摻硅灰并使用氧化石墨烯復(fù)合減水劑時，水泥漿體孔隙率最低，為17.2%.說明硅灰與氧化石墨烯的協(xié)同減小水泥漿體的孔隙率，從而增強水泥漿體的強度.

表2 硬化水泥漿體的孔隙率Tab.2 Porosities of hardened cement paste

2.4 硬化水泥漿體水化產(chǎn)物分析

為了分析硅灰對氧化石墨烯增強的水泥基材料水化產(chǎn)物的影響，將上述制備的4組樣品進行XRD衍射分析，測得其60 d的XRD圖如圖3所示.由圖3可知，無論是否摻硅灰以及是否使用含有氧化石墨烯的GOPCs減水劑，硬化水泥漿體都含有3種礦物，分別為水泥水化后生成的氫氧化鈣Ca（OH）2、鈣礬石（ettringite，AFt）、以及未水化的硅酸三鈣（C3S）.圖中 GOPCs-CP組 Ca（OH）2的衍射峰最強，說明氧化石墨烯摻入后促進了水泥顆粒的水化.當(dāng)摻硅灰后，圖中SFPCs-CP以及SFGOPCs-CP，在26.32°處出現(xiàn)SiO2的衍射峰，這是因為硅灰沒有與氫氧化鈣完全反應(yīng)，并且Ca（OH）2的衍射峰強度明顯減弱，說明摻入硅灰后，硅灰與Ca（OH）2反應(yīng)使硬化水泥漿體中的Ca（OH）2含量減少.由此可以得出，硅灰并不會影響水泥水化產(chǎn)物的種類，但是對水化產(chǎn)物Ca（OH）2的含量有影響.并且當(dāng)硅灰與含有氧化石墨烯的GOPCs減水劑共同作用時，圖中SFGOPCs-CP曲線，Ca（OH）2的衍射峰最弱.說明硅灰與氧化石墨烯共同作用時，硅灰與Ca（OH）2的反應(yīng)更充分，從而生成更多C-S-H凝膠，減小硬化水泥漿體中的孔隙率.

圖3 硬化水泥漿體的XRD圖Fig.3 XRD patterns of hardened cement paste

圖4為上述硬化水泥漿體的斷面SEM照片.對比圖4（a）PCs-CP硬化水泥漿體，當(dāng)只摻氧化石墨烯時（GOPCs-CP，圖中4（b）），可以看到水化生成的C-S-H凝膠更密實，并且呈現(xiàn)一定的大體積波紋狀，這是因為水化產(chǎn)物在氧化石墨烯片上結(jié)晶形成的結(jié)果，同時也能看到有很多小的片狀，其為片狀的氫氧化鈣，說明水化生成的氫氧化鈣也聚集在氧化石墨烯片層結(jié)構(gòu)上.當(dāng)只摻入硅灰時（SFPCs-CP，圖4（c）），由于硅灰與水化生成的氫氧化鈣反應(yīng)生成C-S-H凝膠，圖中小尺寸的片狀結(jié)構(gòu)明顯減少，但能看到基體中存在很多毛細孔.當(dāng)同時摻硅灰與氧化石墨烯時（SFGOPCs-CP，圖4（d）），能看到基體中生成了呈波紋形的C-S-H凝膠，并且小尺寸片狀結(jié)構(gòu)也較少，毛細孔明顯減少，更密實，證實了圖3中的說法.上述結(jié)果說明，當(dāng)硅灰與氧化石墨烯共同摻入水泥基體中時，得到了更密實，孔隙率更小的硬化水泥漿體.

圖 4 （a）PCs-CP、（b）GOPCs-CP、（c）SFPCs-CP、（d）SFGOPCs-CP的斷面SEM圖Fig.4 SEM images of（a）PCs-CP，（b）GOPCs-CP，（c）SFPCs-CP and（d）SFGOPCs-CP

2.5 作用機理

水泥基材料是一種非均質(zhì)多物相組成的混合結(jié)構(gòu)材料，由各種水化產(chǎn)物、殘留熟料、孔隙以及存在于孔隙中的水組成.其中孔隙率的大小直接影響水泥基體的力學(xué)性能.氧化石墨烯摻入水泥基體中時，作為二維片狀結(jié)構(gòu)，使水化產(chǎn)物在氧化石墨烯表面聚集從而形成更致密的C-S-H膠凝，并促進水泥水化，減小膠凝孔隙率使水泥基體強度提升，但此過程中也會生成大量的氫氧化鈣晶體，在氧化石墨烯片層上聚集，增加了凝膠與氫氧化鈣的界面，如圖4（b）.然而硅灰作為具有火山灰活性的礦物摻合料能與水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣反應(yīng)生成C-S-H凝膠，從而減少氫氧化鈣在氧化石墨烯片上的聚集生成更多C-S-H凝膠，進一步減小膠凝孔隙率，并減小了C-S-H與氫氧化鈣晶體的界面，從而使硬化水泥漿體的力學(xué)性能得到進一步提升.

3 結(jié) 語

本文以硅灰為礦物摻合料，以氧化石墨烯復(fù)合聚羧酸減水劑為外加劑制備硅灰與氧化石墨烯復(fù)合水泥漿體，研究硅灰與氧化石墨烯對于水泥漿體的力學(xué)性能的影響.制備得到的硅灰與氧化石墨烯復(fù)摻硬化水泥漿體的力學(xué)性能提升很大.氧化石墨烯的摻入調(diào)節(jié)了水化產(chǎn)物的排布，使C-S-H凝膠更致密，孔隙率更小，強度得到提升，但生成的氫氧化鈣較多.硅灰摻入與水泥水化生成氫氧化鈣反應(yīng)生成C-S-H凝膠，同樣能減小水泥漿體的孔隙率從而使水泥漿體的強度得到提升.硅灰單獨摻入水泥漿體以及氧化石墨烯單獨摻入水泥漿體作用時，硬化水泥漿體相較于普通硬化水泥漿體的孔隙率都有所減小，強度提升分別為3.6%、11.9%.但當(dāng)硅灰與氧化石墨烯共同摻入水泥漿體作用時，二者共同調(diào)節(jié)水泥礦物水化結(jié)晶，更有效的減小了水泥漿體的孔隙率，對硬化水泥漿體強度的提升也最大，為22.7%.因此硅灰與氧化石墨烯對于水泥漿體具有復(fù)合增強作用.

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Compound Enhancement Effect of Silica Fume and Graphene Oxide on Hardened Cement Paste

CHEN Yabing1，YAN Zeji2，LU Ya3，LIN Kang1，LI Yuexing1，ZHANG Fang1*
1.School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；
2.School of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；
3.Wuhan Yuanjin Reddy-mixed Concrete Co.，LTD，Wuhan 430064，China

The influences of silica fume and graphene oxide on the mechanical property of hardened cement paste were investigated.First，the ordinary cement pastes were prepared.Then the cement pastes were prepared using 10%mass fraction of silica fume，0.8%mass fraction of graphene oxide/polycarboxylate superplasticizer（GOPCs）and silica fume/GOPCs respectively.The flexural strength，compressive strength，porosity of the samples have been tested on the 90th day.The hydration products of the samples were characterized by X-ray diffraction（XRD）and scanning electron microscopy（SEM）.The results show that the compressive strength and flexural strength of hardened cement paste with silica fume，GOPCs and fume/GOPCs composite respectively increase by 3.6%and 9.6%，11.9%and 15.3%，and 22.7%and 38.6%compared with those of the ordinary hardened cement paste.The results were demonstrated by the data of porosity test，XRD and SEM images.Therefore，silica fume and GOPCs can enhance the mechanical property of hardened cement paste with a compound effect.

graphene oxide/polycarboxylate superplasticizer；silica fume；compound enhancement

2017-01-06

武漢工程大學(xué)科學(xué)研究基金（k201626）；武漢市城建委科技計劃項目（201610）

陳亞兵，碩士研究生.E-mail：598221866@qq.com

*通訊作者：張 芳，博士，副教授.E-mail：582297197@qq.com

陳亞兵，嚴澤稷，魯婭，等.硅灰與氧化石墨烯對硬化水泥漿體的復(fù)合增強效應(yīng)［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報，2017，39（5）：471-476.

CHEN Y B，YAN Z J，LU Y，et al.Compound enhancement effect of silica fume and graphene oxide on hardened cement paste［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（5）：471-476.

TU599

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2017.05.012

1674-2869（2017）05-0471-06

苗 變