摘要：為了改善惡劣服役環(huán)境下橋墩用混凝土的使用性能，采用納米材料氧化石墨烯對(duì)混凝土進(jìn)行改性，基于一系列室內(nèi)試驗(yàn)，針對(duì)不同氧化石墨烯用量的混凝土進(jìn)行力學(xué)及耐久性能分析。結(jié)果表明：隨著氧化石墨烯用量的增加，橋墩混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度呈逐漸增大變化，彈性模量呈先增大后減小變化，而電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗壓強(qiáng)度損失率及質(zhì)量損失率則均隨之呈先降后升變化；摻入適宜氧化石墨烯能夠有效改善混凝土的力學(xué)及耐久性能，但若過(guò)量則會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生一定削弱，推薦氧化石墨烯用量為0.12%，有利于提升復(fù)雜環(huán)境下橋墩混凝土的服役性能。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；氧化石墨烯；混凝土；力學(xué)性能；耐久性能

中圖分類號(hào)：TQ172.71文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）04-0091-04

Study on the influence of graphene oxide on the mechanical and durability properties of bridge pier concrete

WANG Yi

（Yuzhou Highway Maintenance Engineering Co.，Ltd.，Xuchang 461670，Henan China）

Abstract：In order to improve the performance of concrete used for bridge piers in harsh service environments，na?no material graphene oxide was used to modify the concrete.Based on a series of indoor tests，mechanical and dura?bility performance analysis was conducted on concrete with different amounts of graphene oxide.The results showed that with the increase of graphene oxide dosage，the compressive and flexural strength of bridge pier concrete gradu?ally increased，while the elastic modulus first increased and then decreased.Meanwhile，the electrical flux，chloride ion diffusion coefficient，compressive strength loss rate，and mass loss rate all showed a decrease followed by an in?crease;The addition of suitable graphene oxide can effectively improve the mechanical and durability properties of concrete，but excessive amounts can weaken its performance.It is recommended to use 0.12%graphene oxide to im?prove the service performance of bridge pier concrete in complex environments.

Key words：bridge engineering；graphene oxide；concrete；mechanical properties；durability

自21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)橋梁交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)呈飛速發(fā)展，混凝土材料因具備成本低廉、施工簡(jiǎn)捷、整體性能優(yōu)良等特點(diǎn)，故在各類橋梁工程建設(shè)中得到大規(guī)模應(yīng)用[1-2]。但據(jù)近年有關(guān)實(shí)際應(yīng)用表明，普通混凝土材料已開(kāi)始無(wú)法滿足當(dāng)下橋梁建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展需求，尤其在寒冷、鹽蝕等惡劣環(huán)境長(zhǎng)期服役下，普通混凝土材料容易曝露脆性高、強(qiáng)度偏低、耐久性差等缺陷，因此如何促使混凝土材料向高性能化發(fā)展成為現(xiàn)階段的熱點(diǎn)課題[3-5]。為了改善惡劣服役環(huán)境下橋梁混凝土的工程性能，近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了不少研究，如馮博等[6]探討了凍融循環(huán)與氯鹽侵蝕共同耦合下橋梁高性能混凝土的耐久性能，并根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果建立其質(zhì)量預(yù)測(cè)衰減模型；蘇開(kāi)春等[7]考察了高硫酸鹽侵蝕服役環(huán)境下消泡劑、密實(shí)劑及抗硫酸鹽侵蝕抑制劑對(duì)C45橋梁樁基混凝土性能的影響規(guī)律；張茂花等[8]研究了冰凍與硝酸鹽共同侵蝕作用下不同納米Al2O3對(duì)混凝土耐久性能的影響；徐存東等[9]探究了不同摻量聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗鹽凍侵蝕性能的影響規(guī)律，并基于Weibull理論和灰色預(yù)測(cè)理論對(duì)鹽凍侵蝕環(huán)境下的纖維混凝土服役壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于橋墩用混凝土的工作環(huán)境特殊，致使其使用性能退化顯著，從而會(huì)給橋梁結(jié)構(gòu)的安全及壽命帶來(lái)嚴(yán)重影響[10-12]。本文通過(guò)采用納米材料氧化石墨烯對(duì)橋梁混凝土進(jìn)行改性，系統(tǒng)考察了不同氧化石墨烯用量對(duì)混凝土力學(xué)強(qiáng)度、抗凍性能、抗氯鹽及硫酸鹽侵蝕性能的影響規(guī)律。

1試驗(yàn)部分

1.1原材料

（1）水泥：P× O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥（廣西某水泥股份有限公司）。

（2）骨料：粗骨料選用粒徑為5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度為2.71 g/cm3，針片狀顆粒含量為8.2%，含泥量為0.5%，壓碎值為12.6%；細(xì)骨料選用粒徑為0.15～5 mm的機(jī)制砂。

（3）礦物摻合料：硅灰和Ⅱ級(jí)粉煤灰（廣西某建材有限公司），其主要化學(xué)成分如表1所示。

（4）氧化石墨烯：多層氧化石墨烯分散液（濃度為10 mg/ml，江蘇某納米材料科技公司）。

（5）減水劑：HPWR型高性能減水劑，減水率為33.2%。（6）水：市政自來(lái)水。

1.2配合比

按照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行混凝土的配合比設(shè)計(jì)，混凝土的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C40，水灰比為0.5，氧化石墨烯的用量（占水泥質(zhì)量）分別為0、0.04%、0.08%、0.12%、0.16%，所用混凝土的配合比設(shè)計(jì)如表2所示。

1.3試驗(yàn)方案及方法

以GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)范為依據(jù)，分別采用抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量、抗氯離子滲透、硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕、凍融循環(huán)等試驗(yàn)對(duì)不同用量氧化石墨烯混凝土的綜合性能進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

2結(jié)果與討論

2.1抗壓強(qiáng)度

通過(guò)采用電液伺服萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)氧化石墨烯混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試[13-14]，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。氧化石墨烯混凝土的3、7、28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，不同氧化石墨烯混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，在齡期為3、7、28 d時(shí)，氧化石墨烯混凝土的抗壓強(qiáng)度較于基準(zhǔn)混凝土分別增大了20.3%～32.7%、13.7%～27.3%、5.5%～13.9%，即說(shuō)明石墨烯對(duì)混凝土早期抗壓強(qiáng)度的增效更明顯；在相同齡期下，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著氧化石墨烯用量的增加呈逐漸增大變化，其中在氧化石墨烯用量為0～0.12%范圍時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度增幅較為顯著，而當(dāng)氧化石墨烯用量繼續(xù)增大后，混凝土的抗壓強(qiáng)度增幅則比較平緩，氧化石墨烯的摻入能夠有效提升橋墩混凝土的抗壓能力，原因是氧化石墨烯具有良好分散與填充作用，一方面能夠促使水泥水化產(chǎn)物生成、分布更加規(guī)則，另一方面可減少結(jié)構(gòu)孔縫，從而提高混凝土的致密性及抗壓性能。

2.2抗折強(qiáng)度

不同氧化石墨烯混凝土的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，不同氧化石墨烯混凝土的抗折強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加逐漸增大，與基準(zhǔn)混凝土相比，氧化石墨烯混凝土的3、7、28 d抗折強(qiáng)度分別增大了5.9%～12.6%、3.9%～9.6%、3.5%～8.0%，即表明氧化石墨烯混凝土的抗折強(qiáng)度增幅隨齡期增大逐漸變緩；隨著氧化石墨烯用量的增加，混凝土各齡期抗折強(qiáng)度均呈逐漸增大變化，但當(dāng)其用量達(dá)到一定值后混凝土的抗折強(qiáng)度增幅趨向平緩，說(shuō)明摻入氧化石墨烯有利于改善混凝土的抗折斷能力，原因是氧化石墨烯不僅能夠增強(qiáng)水泥漿體的力學(xué)強(qiáng)度，還能有效分散荷載應(yīng)力，故混凝土的抗折強(qiáng)度提升。

2.3彈性模量

采用動(dòng)彈性模量測(cè)定儀對(duì)氧化石墨烯混凝土的彈性模量進(jìn)行測(cè)試[15-16]，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。不同氧化石墨烯混凝土的彈性模量試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，氧化石墨烯混凝土的彈性模量隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈逐漸增大變化；隨著氧化石墨烯用量的增加，混凝土的彈性模量呈先增大后減小變化，其中當(dāng)氧化石墨烯用量由0%增至0.12%時(shí)，混凝土的3、7、28 d彈性模量分別增大了44.1%、26.9%、11.5%，而當(dāng)氧化石墨烯用量繼續(xù)增至0.16%后，混凝土各齡期彈性模量均有所減小，分析原因是氧化石墨烯過(guò)量發(fā)生團(tuán)聚、堆疊等現(xiàn)象，使得水泥水化晶體與骨料之間產(chǎn)生軟弱界面，從而增大了混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙率，故彈性模量呈現(xiàn)一定下降趨勢(shì)。

2.4抗氯離子滲透性能

不同氧化石墨烯混凝土的抗氯離子滲透性能試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著氧化石墨烯用量的增加，混凝土的6 h電通量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)均呈先減小后增大變化，其中當(dāng)氧化石墨烯用量由0%增至0.12%時(shí)，混凝土的電通量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別減小了11.4%、15.8%，而當(dāng)氧化石墨烯用量繼續(xù)增至0.16%后，混凝土的電通量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別增大了0.9%、2.2%，說(shuō)明適量的氧化石墨烯能夠有效提升混凝土的抗氯離子滲透性能，但其用量過(guò)多則有一定削減，原因是氧化石墨烯較多呈不均勻分散而引發(fā)團(tuán)聚、堆疊等現(xiàn)象，一定程度降低了混凝土結(jié)構(gòu)的流動(dòng)性、密實(shí)性及強(qiáng)度特性，故混凝土的抗氯離子滲透性能有所削弱。

2.5抗硫酸鹽侵蝕性能

通過(guò)采用硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕試驗(yàn)對(duì)氧化石墨烯混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行測(cè)試[17-18]，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。不同氧化石墨烯混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，氧化石墨烯混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率變化規(guī)律呈先下降后上升，在干濕循環(huán)初期，混凝土受硫酸鹽侵蝕會(huì)產(chǎn)生少量的鈣礬石和二次石膏等晶體，其能夠起到一定填充與搭接孔隙作用，從而降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率，即抗壓強(qiáng)度增大，但在干濕循環(huán)后期，混凝土鹽蝕加劇使得晶體發(fā)生膨脹，促使混凝土抗壓強(qiáng)度損失率增大，故抗壓強(qiáng)度減?。辉谙嗤蓾裱h(huán)下，混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率隨著氧化石墨烯用量的增大呈先減小后增大變化，說(shuō)明摻入適宜氧化石墨烯有利于提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，原因是氧化石墨烯的比表面巨大且強(qiáng)度極高，可有效提高混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的荷載傳遞效率，同時(shí)還能起到骨架支撐的作用，限制鹽蝕孔縫的產(chǎn)生及發(fā)展，故有利于減少混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率。

2.6抗凍性能

不同氧化石墨烯混凝土的抗凍性能采用快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同氧化石墨烯混凝土的質(zhì)量損失率呈先下降后上升變化，其中在0～60次凍融循環(huán)時(shí)，氧化石墨烯混凝土的質(zhì)量損失率呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，即混凝土試件質(zhì)量增加，分析認(rèn)為是混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔飽水引起的增重大于自身表面砂漿剝落損失；但在60～90次凍融循環(huán)下，混凝土的質(zhì)量損失率呈顯著上升，原因是混凝土表面砂漿發(fā)生嚴(yán)重的脫落、剝蝕等現(xiàn)象，從而致使混凝土質(zhì)量減少。隨著氧化石墨烯用量的增大，混凝土的質(zhì)量損失率均呈先下降后上升變化趨勢(shì)，說(shuō)明適宜氧化石墨烯能夠增強(qiáng)混凝土的抗凍性能，原因是合理氧化石墨烯能夠有效改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，抑制孔縫的產(chǎn)生及發(fā)展，但若用量過(guò)大則會(huì)引發(fā)團(tuán)聚、堆疊等現(xiàn)象，從而一定程度削弱混凝土的致密性及穩(wěn)定性，致使混凝土的抗凍性能降低。

3結(jié)語(yǔ)

（1）隨著氧化石墨烯用量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均呈逐漸增大變化，而彈性模量則呈先增大后減小變化；

（2）橋墩用混凝土的電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗壓強(qiáng)度損失率及質(zhì)量損失率均隨著氧化石墨烯用量的增加均呈先降后升變化趨勢(shì)；

（3）摻入適宜氧化石墨烯能夠有效改善混凝土的力學(xué)、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕及抗凍等性能，但若過(guò)量則會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生一定削弱，推薦氧化石墨烯用量為0.12%，有利于提升惡劣服役環(huán)境下橋墩混凝土的力學(xué)強(qiáng)度及耐久性能。

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（責(zé)任編輯：張玉平）