唐慧京 李 靜

（華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641）

0 引言

泡沫混凝土作為裝配式外掛墻體的較優(yōu)材料，具有質(zhì)輕、保溫隔熱等非常優(yōu)異的性能，然而當(dāng)泡沫混凝土應(yīng)用于外掛墻板時(shí)，仍然存在著承載能力不足、強(qiáng)度低等問題[1-2]。

氧化石墨烯（graphene oxide，即GO）作為性能優(yōu)良的納米材料，是近年來學(xué)者們研究的熱門對象。弓中偉等人[3]發(fā)現(xiàn)GO可以提高泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度，降低吸水率，減少微裂紋的數(shù)量，但是對于GO對泡沫混凝土宏觀性能的影響研究不夠深入，粉煤灰作為混凝土常用的無機(jī)摻合料，是改善混凝土成型和力學(xué)以及相關(guān)物理性能的重要途徑[4]，但較少人研究粉煤灰復(fù)摻GO對泡沫混凝土宏觀性能和微觀孔結(jié)構(gòu)的影響。本文通過研究GO單摻和與粉煤灰復(fù)摻對泡沫混凝土宏觀性能和微觀孔結(jié)構(gòu)的影響，為解決泡沫混凝土應(yīng)用于外墻板出現(xiàn)的問題和發(fā)展更優(yōu)良的外掛墻板提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)原材料與配比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本次實(shí)驗(yàn)使用石井牌P·O42.5R水泥，燒失量為1.06%，密度為3100kg/m3，比表面積為376m2/kg。GO采用江蘇蘇州某石墨烯廠生產(chǎn)的工業(yè)級GO分散液。粉煤灰采用河南鄭州某廠提供的Ι級粉煤灰，密度為2420kg/m3,燒失量2.52%。減水劑為陜西某廠提供的聚羧酸系高性能減水劑，減水倍數(shù)37%。保水劑采用廣州市某廠提供的羥基甲基纖維素（HMPC）。促凝劑使用廣州市某廠提供的無水氯化鈣（CaCl2）。本次試驗(yàn)發(fā)泡劑采用物理發(fā)泡工藝，選用山東煙臺某廠提供的動物蛋白發(fā)泡劑。

1.2 配比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)GO摻量（占膠凝材料的比例）為0、0.02%、0.04%、0.06%。通過試驗(yàn)確定GO的最優(yōu)摻量后復(fù)摻粉煤灰，其中粉煤灰取代水泥的比例是0、10%、20%、30%。將澆筑好的試塊在常溫下放置24h后拆模并編號，拆完模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行試驗(yàn)。對做完抗壓強(qiáng)度的試塊進(jìn)行高倍顯微鏡拍攝，每個(gè)配比取15個(gè)截面取樣圖并利用Image-pro plus算出孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 GO對泡沫混凝土宏觀性能和微觀孔結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1 宏觀性能

不同GO摻量的泡沫混凝土宏觀性能見表1。

表1 不同GO摻量的泡沫混凝土宏觀性能

由表1可知，泡沫混凝土的干密度隨著GO摻量的增加先增加后降低，GO摻量為0.02%時(shí)，泡沫混凝土干密度達(dá)到最大值，適當(dāng)摻量的GO使得水化產(chǎn)物增加，提高干密度，但是摻量過多時(shí)，干密度又下降。隨著GO摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度均先增加后降低，但均大于空白組，并且都是在摻量為0.02%時(shí)，抗壓、抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值，較空白組分別提高了17.08%和28.36%。GO對泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律與GO對泡沫混凝土干密度的影響規(guī)律是比較一致的，這是由于適量的GO摻入促進(jìn)了泡沫混凝土水化產(chǎn)物的產(chǎn)生，可以更好地填充泡沫混凝土的孔隙，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，使泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更加規(guī)則細(xì)密，從而提高了干密度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度；但是當(dāng)GO的摻量過多時(shí)，GO的比表面積大，吸收更多的水，反而影響了泡沫混凝土的水化，使泡沫混凝土干密度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度降低。隨著GO摻量的增加，泡沫混凝土吸水率先降低后升高，但均比未摻GO的空白組更低，在GO為0.02%時(shí)，泡沫混凝土的吸水率最低。

因此，GO摻量為0.02%時(shí)，泡沫混凝土干密度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、吸水率是最優(yōu)的。

2.1.2 微觀孔結(jié)構(gòu)

泡沫混凝土平均孔徑和孔隙率如圖1所示。由圖1可以看出GO對泡沫混凝土平均孔徑和孔隙率的影響規(guī)律是一致的，都是隨著GO摻量增加，平均孔徑和孔隙率先降低后增高，在0.02%摻量時(shí)，達(dá)到最低值，分別較空白組降低了14.5%和14.6%。呂生華等人[5]研究發(fā)現(xiàn)GO納米片層對水化產(chǎn)物起到模板效應(yīng)，促使泡沫混凝土的結(jié)構(gòu)更加致密，因此平均孔徑和孔隙率降低，跟本研究結(jié)論一致。泡沫混凝土孔徑分布見圖2所示。由圖2可知，GO摻量從0增加到0.02%時(shí)，小孔的比例增加，大孔的比例降低，但是隨著GO摻量從0.02%再增加時(shí)，變化趨勢呈現(xiàn)了相反的狀況，說明當(dāng)GO摻量提高到一定的程度時(shí)，對泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)開始產(chǎn)生負(fù)影響，說明適當(dāng)?shù)腉O摻量可以減少大孔，增加小孔，大大改善泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)。

圖1 不同GO摻量的平均孔徑和孔隙率

圖2 不同GO摻量的孔徑分布

綜上所述，GO摻量為0.02%時(shí)，泡沫混凝土的微觀孔結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的。

2.2 粉煤灰復(fù)摻GO對泡沫混凝土宏觀性能和微觀孔結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 宏觀性能

不同粉煤灰摻量的GO泡沫混凝土宏觀性能見表2所示。

表2 不同粉煤灰摻量的GO泡沫混凝土宏觀性能

從表2可以看出，粉煤灰復(fù)摻GO對泡沫混凝土干密度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律是一致的，均是隨著粉煤灰摻量的增加先增加后降低。在摻量為10%時(shí)，干密度最大，抗折強(qiáng)度最大，在摻量為20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大。其中抗壓強(qiáng)度較空白組最高增加了13.52%，抗折強(qiáng)度較空白組最高增加了18.6%。在GO的效應(yīng)基礎(chǔ)上，粉煤灰使得GO泡沫混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，干密度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度進(jìn)一步提高，但是過多的粉煤灰摻量反而影響水泥的水化，影響泡沫混凝土強(qiáng)度。GO泡沫混凝土的吸水率隨著粉煤灰摻量增加先降低后升高，均低于參照組，在粉煤灰摻量為20%時(shí)，GO泡沫混凝土的吸水率達(dá)到最低值。因此，粉煤灰摻量在10%～20%時(shí)，進(jìn)一步改善了泡沫混凝土的宏觀性能。

2.2.2 微觀孔結(jié)構(gòu)

不同粉煤灰摻量的平均孔徑和孔隙率見圖3所示。圖4是不同粉煤灰摻量對GO泡沫混凝土孔徑分布的影響。

圖3 不同粉煤灰摻量的平均孔徑和孔隙率

圖4 不同粉煤灰摻量的孔徑分布

由圖3可知，隨著粉煤灰的摻入，在粉煤灰摻量為10%時(shí)，GO泡沫混凝土的平均孔徑和孔隙率達(dá)到最低值。謝明輝等人[6]發(fā)現(xiàn)粉煤灰起到填充孔結(jié)構(gòu)的作用，因此適當(dāng)?shù)姆勖夯覔搅拷档土似骄讖胶涂紫堵?。由圖4可知，粉煤灰摻量在10%和20%時(shí)，小孔的比例增加，大孔的比例降低，但粉煤灰摻量為30%時(shí)，小孔比例下降，大孔比例反而增加。嵇鷹等[7]研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰的“調(diào)控效應(yīng)”進(jìn)一步改善GO泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)，但是粉煤灰的摻量過多時(shí)，反而對孔結(jié)構(gòu)不利。

3 結(jié)束語

綜上所述，本課題結(jié)論如下：

（1）隨著GO摻量的增加，泡沫混凝土的干密度和抗壓抗折強(qiáng)度都是先增加后降低。在GO摻量為0.02%時(shí)，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值，比未摻GO的泡沫混凝土分別提高了17.08%和28.36%，且吸水率最低。

（2）GO使泡沫混凝土的微觀孔結(jié)構(gòu)更加細(xì)密、形狀更加規(guī)則。尤其當(dāng)GO摻量為0.02%時(shí)，泡沫混凝土的平均孔徑和孔隙率達(dá)到最低值，較未摻GO的空白組降低了14.45%和14.46%。

（3）隨著粉煤灰摻量增加，GO泡沫混凝土干密度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度先升高后降低。粉煤灰的摻入可以降低GO泡沫混凝土的吸水率，在粉煤灰摻量為20%時(shí)，吸水率最低。

（4）粉煤灰在水泥中通過形態(tài)效應(yīng)和填充作用，使得GO泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)更加致密，平均孔徑和孔隙率降低。在粉煤灰摻量10%～20%時(shí)，粉煤灰進(jìn)一步改善了GO泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)。