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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，縱橫向尺寸比達到30000，同時能達到300GPa的楊氏模量和112GPa的內(nèi)部強度[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對硫鋁酸鹽水泥的影響方面并沒有太多研究。為了研究GO對硫鋁酸鹽水泥的影響，本文對比了不同水灰比下，不同GO摻量硫鋁酸鹽水泥的流動度和凝結(jié)時間，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，對不同GO摻量的硫鋁酸鹽水泥進行28天的抗壓試驗，對比GO的摻量對硫鋁酸鹽水泥抗壓強度的影響，以研究GO對硫鋁酸鹽水泥的改善情況。

1試驗

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試樣制作及試驗方法

該硫鋁酸鹽水泥流動度的檢測，依據(jù)規(guī)范《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》。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(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度值。

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

抗折和抗壓強度的試樣制備。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，按流動度和凝結(jié)時間試驗得出的最佳水灰比，和0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10%六個不同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，在振實臺(ZS-15)振實120下，附膜密封，放置室溫下24h后脫模。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室(溫度20℃±2℃，相對濕度98%)中分別養(yǎng)護至3d、7d、28d。后在壓折試驗機(YAW-300，抗折試驗的加載速率50N/s，抗壓試驗的加載速率2.4kN/s)上進行抗壓和抗折試驗。

2試驗結(jié)果

2.1流動度

測得各組硫鋁酸鹽水泥流動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，各流動度都隨GO摻量的增多而減少。這一變化趨勢很好的體現(xiàn)了GO的高親水吸附性。尤其在0.18低水灰比下，GO摻量的改變對流動度的影響尤為顯著，甚至GO摻量為0.06%組的流動度只有不加GO的對照組的46.7%。

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

圖1 流動度

2.2凝結(jié)時間

各組硫鋁酸鹽水泥初凝時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，三組水灰比下的初凝時間和流動度都減少，因為GO的摻入吸附了一定量的過多自由水，促進早期強度形成。GO摻量為0.04%時，有最快的初凝時間，與不加GO組相比平均降低了28.8%的初凝時間，最多降低了30.4%。而GO摻量高于0.04%時，三組水灰比下的初凝時間都開始增加，表明這個時候摻入GO已經(jīng)開始影響硫鋁酸鹽水泥水化反應(yīng)的進程了。

圖2 初凝時間

各組硫鋁酸鹽水泥終凝時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，初凝時間和終凝時間具有高度相似的變化情況，0.04%的GO摻量下終凝時間最短，與不加GO組相比平均降低了29.6%的初凝時間，最多降低了34.2%。

圖3 終凝時間

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

綜合考慮流動度和凝結(jié)時間的變化情況，0.22水灰比下不加GO組流動度太大，而0.18水灰比下凝結(jié)時間太短，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天抗壓強度折線圖如圖4所示。

圖4 硫鋁酸鹽水泥28天抗壓強度

在GO摻量不高于0.06%時，硫鋁酸鹽水泥試樣的抗壓強度隨GO摻量增多而減少。在GO摻量為0.08%時，硫鋁酸鹽水泥試樣抗壓強度最優(yōu)達到了83.3MPa，比沒有加入GO組的抗壓強度高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，促進水化產(chǎn)物形成致密有序的結(jié)構(gòu)，從而提高試件強度。當(dāng)GO摻量高于0.08%時，硫鋁酸鹽水泥試件抗壓強度反而減少，因為GO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度最優(yōu)摻量。

3結(jié)論

(1)在0.18、0.20、0.22三個水灰比下， 硫鋁酸鹽水泥流動度隨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%組的流動度只有不加GO的對照組的46.7%。

(2)凝結(jié)時間在GO摻量不高于0.04%前都隨GO摻量增加而減少，高于這個值之后開始增加。GO摻量為0.04%時，凝結(jié)時間最快，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組流動度太大，而0.18水灰比下凝結(jié)時間太短，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，硫鋁酸鹽水泥的28天抗壓強度，在GO摻量不高于0.06%前都隨GO摻量增加而減少；在0.08%時最優(yōu)達到83.3MPa，比沒有加入GO組高14.3%，比最劣組高46.7%，高于這個值之后開始減少，即0.08%為0.20最優(yōu)水灰比下硫鋁酸鹽水泥后期強度的GO最佳摻量。