磁场诱导对磁性石墨烯改性水泥净浆抗压强度的影响研究

郑城; 王迎豪; 张逸舟; 苏俊儒; 张惠一; 胡兵兵; 袁小亚

磁场诱导对磁性石墨烯改性水泥净浆抗压强度的影响研究

郑城¹,
王迎豪¹,
张逸舟¹,
苏俊儒¹,
张惠一²,
胡兵兵¹,
袁小亚^{1, 3, ,}

1.
重庆交通大学　材料科学与工程学院, 重庆 400074
2.
重庆交通大学　土木工程学院, 重庆 400074
3.
重庆诺奖二维材料研究院有限公司, 重庆 400714

基金项目: 国家自然科学基金项目(51402030)；重庆市技术创新与应用发展专项重点项目(CSTB2022TIAD-KPX0031)；重庆市级引导区县科技发展专项资金(JSYY2023010)；重庆市研究生导师团队建设项目(JDDSTD2022006)；重庆交通大学校企合作项目(cqjt-2022-036)；重庆诺奖二维材料研究院科技项目(C2DMI-RD-230616-01)

详细信息

通讯作者:
袁小亚，博士，教授，博士生导师，研究方向为纳米复合材料、建筑功能材料、高性能水泥混凝土等领域　E-mail: yanxy@cqjtu.edu.cn

中图分类号: TB333；TU528
计量
- 文章访问数: 63
- HTML全文浏览量: 64
- PDF下载量: 3
出版历程
- 收稿日期: 2024-07-09
- 修回日期: 2024-08-23
- 录用日期: 2024-09-02
- 网络出版日期: 2024-09-15

Study on the effect of magnetic field induction on the compressive strength of magnetic graphene-modified cement paste

1.
School of Materials Science and Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China
2.
School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China
3.
Chongqing 2 d Materials Institute of China, Chongqing 400714, China

Funds: National Natural Science Foundation of China (51402030); Chongqing Municipal Technology Innovation and Application Development Special Key Projects (CSTB2022TIAD-KPX0031); Special Funds for Guiding Science and Technology Development of Districts and Counties in Chongqing Municipality (JSYY2023010); Chongqing Postgraduate Tutor Team Building Project (JDDSTD2022006); Chongqing Jiaotong University School-Enterprise Co-operation Project (cqjt-2022-036); Chongqing Nobel Prize 2D Materials Research Institute Science and Technology Project (C2DMI-RD-230616-01)

摘要

摘要: 二维石墨烯(G)纳米片对水泥基材料有显著的增强效果，但通常情况下G是杂乱无章地分布在水泥基材料中。为了更好地发挥G的强化作用，本研究通过一步共沉淀法将Fe₃O₄纳米颗粒附着热还原氧化石墨烯(RGO)纳米片上制备了磁性纳米复合材料 Fe₃O₄@ RGO(MGO)，通过施加外磁场(MF)使不同掺量的MGO纳米片在水泥净浆(CP)中沿一定方向排列，分别通过测试垂直和平行于磁场方向上的硬化水泥净浆的抗压强度。研究结果表明经磁场诱导后掺入不同量MGO的水泥净浆平行于磁场方向的截面抗压强度均大于垂直于磁场方向的截面抗压强度；当MGO掺量为0.1%时，在平行于磁场方向的截面抗压强度比垂直于磁场方向的截面抗压强度高12.20%。说明MGO纳米片经磁场诱导后发生了定向排列，水泥水化产物更多的在平行于磁场方向上规整排列生长。本研究通过外部磁场诱导调控石墨烯纳米片定向排布，为特定用途下实现更高强度的水泥基材料提供了一种有效途径。
- 四氧化三铁 /
- 石墨烯 /
- 磁场 /
- 定向排列 /
- 力学性能 /
- 水泥净浆
Abstract: Two-dimensional graphene (G) nanosheets have a significant enhan cement effect on cement-based materials, but generally G is distributed haptically in cement-based materials. In order to better exert the strengthening effect of G, the magnetic nanocomposite Fe₃O₄@RGO (MGO) was prepared by one-step co-precipitation method by adhering Fe₃O₄ nanoparticles to thermal-reduced graphene oxide (RGO) nanosheets. By applying an external magnetic field (MF), the MGO nanosheets with different contents were arranged in a certain direction in the cement paste. The compressive strength of the hardened cement paste perpendicular and parallel to the magnetic field was tested respectively. The results show that the compressive strength of the cement paste mixed with different amounts of MGO in the direction parallel to the magnetic field is greater than that perpendicular to the magnetic field; when the content of MGO is 0.1%, the compressive strength of the section parallel to the magnetic field is 12.20% higher than that perpendicular to the magnetic field. The results indicated that the MGO nanosheets were oriented after induction by magnetic field, and the hydration products of cement grew in a regular arrangement parallel to the magnetic field. This study provides an effective way to achieve higher strength cement-based materials for specific applications by regulating the orientation of graphene nanosheets induced by an external magnetic field.
- Fe₃O₄ /
- graphene /
- magnetic fields /
- directional arrangement /
- mechanical property /
- cement paste

HTML全文

复合管多用于海洋油气输送，其中非粘接的钢带缠绕增强复合管多用于浅海油气运输^[1-3]。钢带缠绕增强复合管不仅克服了一般热塑性复合管质量密度低的缺点，且具有顺应性高、生产安装费用低及可再回收利用等特点^[4]。但长期恶劣的服役环境极易造成管道失效，进而引发油气泄露事故^[5]，因此开展海底复合管力学行为研究对钢带缠绕增强复合管结构设计、安全评价、操作维修等具有重要意义。

许多学者对钢带缠绕增强复合管进行了探索研究，如Bai等^[6-7]利用压溃试验和数值模拟研究发现，初始椭圆度、径厚比越大，钢带缠绕增强复合管极限抗外压能力越低。Bai等^[8]、Jiang等^[9]和Bai等^[10]利用轴向拉伸试验和数值模拟对钢带缠绕增强复合管进行研究发现，在纯拉伸载荷作用下，钢带缠绕增强复合管的拉伸刚度随着伸长量的增大而减小；同时建立了相应的解析模型并进行求解。Liu等^[11]基于蒙特卡洛(Monte-Carlo)及一次二阶矩(FOSM)相组合的方法矫正了钢带缠绕增强复合管的设计安全系数。学者们对复杂载荷下其他类型复合管进行了研究，如姜豪等^[12]建立了深海非粘结柔性管力学模型，分析了其在组合载荷工况下的力学性能。Gong等^[13]、Sertã等^[14]和Fe´ret等^[15]预测了深海柔性管的铠装层在轴向压缩、弯曲及外压下的屈曲失效。Bathtui^[16]给出用于模拟非粘结柔性立管在轴向拉伸、弯矩、内外压作用下结构响应的简化本构模型。Ramos等^[17]建立了深海柔性管在弯曲、扭转等组合载荷条件下的全滑动力学模型并得到相应解。Ramos等^[18]考虑管道层间间隙，提出了组合载荷下深海柔性管力学响应的计算模型，并进行了相应试验。Merino等^[19]采用试验和有限元方法研究发现，深海柔性管在内外压及拉伸条件下为线性响应，扭转载荷下为非线性响应。Gong等^[20]研究了深水夹芯管屈曲传播特性，提出了非粘接下深水夹芯管系统的传播压力经验表达式。Xue等^[21-23]对海底腐蚀管道在外部静水压力作用下的稳态屈曲拓展现象进行了非线性有限元分析。同时，提出一种夹芯管屈曲传播的三维分析方法，从壳的塑性稳定性理论角度描述了一种屈曲传播现象的综合机制，并提出了夹芯管的一阶剪切变形理论，推导了非浅水区夹芯层圆柱壳的平衡微分方程。

综上所述，目前针对钢带缠绕增强复合管的力学响应研究大多限于单一载荷下的试验或数值模拟，而对复杂载荷条件下的力学响应问题研究较少。由于海洋环境复杂多变，海底管道服役环境恶劣，钢带缠绕增强复合管承受复杂载荷，包括轴向拉力、弯曲载荷及内外压等，会加速管道失效。因此，本文开展多种复杂载荷下钢带缠绕增强复合管的力学特性研究。

1. 数值计算模型及验证

钢带缠绕增强复合管包含防漏和耐腐蚀的内层聚乙烯(PE)管、抵抗内外压的两层螺旋方向相反的钢质增强带、减小摩擦的保护层及抵抗外腐蚀的外层聚乙烯(PE)管^[24]，如图1所示。以长度为1 100 mm的钢带缠绕增强复合管为研究对象，建立如图1所示的数值计算模型。其中：1为内层PE管；2为内层缠绕钢带；3为外层缠绕钢带；4为保护层；5为外层PE管。

图 1 钢带缠绕增强复合管结构及数值计算模型

Figure 1. Structure and numerical calculation model of reinforced composite pipe wound with steel strip

PE—Polyethylene

下载: 全尺寸图片幻灯片

由于钢带缠绕增强复合管各层之间存在非线性接触，因此对较厚的内、外PE管采用C3D8R实体单元，对较薄的钢带及保护层采用S4R壳单元。接触关系采用法向硬接触和切向罚接触^[24]，钢带之间的摩擦系数为0.18，钢带与PE管之间的摩擦系数为0.22。管道一端完全固定，另一端施加轴向拉伸位移。根据文献[8]的试件，设置如表1所示的几何参数及材料属性。

表 1 钢带缠绕增强复合管的几何模型及材料参数

Table 1. Geometric and material parameters of reinforced composite pipe wound with steel strip

Model	Inner ring radius/mm	Thickness/mm	Helix angle/(°)	Width/mm	E/GPa	μ	Yield strength/MPa
Inner PE pipe	25.0	6.0	—	—	1.04	0.40	20
Inner steel strip	31.0	0.5	54.7	52	199.00	0.26	850
Outer steel strip	31.5	0.5	−54.7	52	199.00	0.26	850
Protective layer	32.0	1.0	—	—	1.04	0.40	20
Outer PE pipe	33.0	4.0	—	—	1.04	0.40	20
Notes: E—Elastic modulus; μ—Poisson’s ratio.

下载: 导出CSV

| 显示表格

文献[24]提出了计算钢带缠绕增强复合管轴向拉伸刚度的简化解析模型，可知钢带轴向拉力为

$\left\{ \begin{array}{l} {F_{{\rm{steel}},i}} = nbtE\cos \theta \cdot \left( {\dfrac{{\Delta L}}{L}{{\cos }^2}\theta + \dfrac{{{u_{{\rm{R}}i}}}}{{{R_{{\rm{m}}i}}}}{{\sin }^2}\theta } \right){\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} \left\{ {i = {\rm{1,}}2} \right\}\\ {u_{{\rm{R}}i}} = - \dfrac{{{{\rm{\Lambda }}_1}{\Lambda _5} + {\Lambda _6}}}{{1 + {\Lambda _2}{\Lambda _5}}}\\ {\Lambda _1} = \beta E{\sin ^2}\theta \cdot t\dfrac{{\Delta L{{\cos }^2}\theta }}{L}\left( {\dfrac{1}{{{R_{{\rm{m}}1}}}} + \dfrac{1}{{{R_{{\rm{m}}2}}}}} \right)\\ {\Lambda _2} = \beta E{\sin ^4}\theta \cdot t\left( {\dfrac{1}{{R_{{\rm{m}}1}^2}} + \dfrac{1}{{R_{{\rm{m}}2}^2}}} \right)\\ {\Lambda _5} = \dfrac{{\left( {1 + \nu } \right){R_6}\left[ {\left( {1 - 2\nu } \right)R_6^2 + R_7^2} \right]}}{{{E_{\rm{S}}}\left( {R_6^2 - R_7^2} \right)}}\\ {\Lambda _6} = \dfrac{{2\left( {1 - {\nu ^2}} \right){P_{{\rm{out}}}}R_6^2R_7^2}}{{{E_{\rm{S}}}\left( {R_6^2 - R_7^2} \right)}} + \nu \dfrac{{{R_6}\Delta L}}{L}\\[-14pt] \end{array} \right.$

(1)

式中：u_Ri为径向位移量；β为考虑间隙时的折减系数；E为钢带弹性模量；θ为钢带缠绕螺旋角度；L为管道长度；∆L为拉伸长度；n为同一层增强层中钢带的条数；b为带宽；R_mi为第i层钢带增强层的平均缠绕半径；t为钢带厚度；R₆为内层PE管外半径；R₇为外层PE管内半径；E_S为PE材料在当前加载步下的割线模量。

PE管的轴向拉力F_PEi为

${F_{{\rm{PE}}i}} = \frac{{{E_{\rm{S}}}{A_{0i}}\Delta L}}{{\Delta L + L}}$

(2)

式中，A_0i为PE管截面初始面积。

钢带缠绕增强复合管总轴向拉力F_T可看作管道各层贡献值的累加，即

${F_{\rm{T}}} = \Sigma {F_{{\rm{PE}}}} + \Sigma {F_{{\rm{steel}}}}$

(3)

图2为钢带缠绕增强复合管数值模型与实验及解析解对比。可知，将数值计算模型与文献[8]的试验结果及文献[24]的解析模型进行对比，三者变化趋势一致。同时，本文数值计算模型比解析模型更接近试验值，这是由于解析模型未考虑层与层之间的摩擦作用及螺旋钢带自身弯曲变化，即仅考虑钢带沿带长度方向的轴向变形。因此，该数值计算模型较为可靠。

图 2 钢带缠绕增强复合管数值模型与试验及解析解对比

Figure 2. Comparison of numerical model, experimental and analytical model results of reinforced composite pipe wound with steel strip

下载: 全尺寸图片幻灯片

2. 不同组合载荷下钢带缠绕增强复合管的力学性能

为研究由拉伸、内外压和弯曲载荷组合的复杂载荷下带缠绕增强复合管的力学性能，其组合类型为：内外压加拉伸、内外压加弯曲、内外压加弯曲及拉伸，同时与纯拉伸和纯弯曲载荷条件进行对比。由于海底工况复杂，带缠绕增强复合管受载具有不确定性，因此本文选取的加载路径为在同一分析步中同时施加内外压、拉伸或弯曲载荷。承载能力可通过管道屈曲时的载荷大小判定，载荷越大，承载性能越好。钢带缠绕增强复合管的拉伸刚度为

$k = \frac{F}{x}$

(4)

式中：k为拉伸刚度；F为轴向拉力；x为轴向位移。

钢带缠绕增强复合管的弯曲刚度为

$m = \frac{M}{\alpha }$

(5)

式中：m为弯曲刚度；M为弯矩；α为弯曲角度。

图3为钢带缠绕增强复合管轴向拉力和拉伸量的关系曲线。可知，在弹性阶段(AB、AC、AD段)，钢带缠绕增强复合管的拉伸刚度不变。在BE、DF、CG段，钢带缠绕增强复合管的拉伸刚度随伸长量增大而减小，非线性特征明显，将该阶段定义为过渡阶段。而EH、FI、GJ段则为整体的屈服阶段。曲线Ⅰ(内压为1 MPa、外压为3 MPa)和曲线Ⅱ(内压为2 MPa、外压为3 MPa)的拉伸刚度明显小于纯拉伸情况，这是由外压大于内压，压差引起泊松效应(一端固定条件下，钢带缠绕增强复合管因挤压而径向收缩，又因整体体积不变，钢带缠绕增强复合管将沿自由端方向伸长)造成的。在曲线Ⅰ基础上，对自由端施加0.2 rad的转角位移，钢带缠绕增强复合管被拉伸约至77 mm时其拉力急剧下降，此时钢带缠绕增强复合管失效。可以看出，弯曲载荷对钢带缠绕增强复合管拉伸刚度影响较小，但会降低钢带缠绕增强复合管屈曲时的临界拉力，即抗拉承载能力降低。

图 3 不同拉伸载荷作用下钢带缠绕增强复合管的力学性能

Figure 3. Mechanical properties of reinforced composite pipe wound with steel strip under different tensile loads

下载: 全尺寸图片幻灯片

图4为钢带缠绕增强复合管的弯矩和弯曲角度关系曲线。可知，曲线Ⅰ(内压为1 MPa、外压为3 MPa)和曲线Ⅱ(内压为2 MPa、外压为3 MPa)的钢带缠绕增强复合管弯曲刚度明显小于纯弯曲情况。这是由于钢带缠绕增强复合管不受内外压作用时，层间挤压较小，最大静摩擦力小；在弯曲过程中各层易产生相对滑移，滑动摩擦力在一定程度上阻碍钢带缠绕增强复合管变形，使钢带缠绕增强复合管产生更大弯矩，即迟滞效应。同理，钢带缠绕增强复合管承受内外压时，层间摩擦力增强，无滑移现象，钢带缠绕增强复合管整体性提高。在曲线Ⅰ基础上，钢带缠绕增强复合管被拉伸至60 mm，轴向拉力所形成的弯矩与初始弯矩叠加，使在相同弯曲形变下钢带缠绕增强复合管弯曲刚度大幅提高，柔性降低。

图 4 不同弯曲载荷作用下钢带缠绕增强复合管的力学性能

Figure 4. Mechanical properties of reinforced composite pipe wound with steel strip under different bending loads

下载: 全尺寸图片幻灯片

当钢带缠绕增强复合管承受较大内外压时，虽然钢带缠绕增强复合管整体性增强，但由于钢带缠绕增强复合管各层力学性能不同，形变过程中外层PE管易提前进入屈服阶段，使钢带缠绕增强复合管整体弯曲刚度下降，管端弯矩出现极大值，如曲线Ⅰ和Ⅱ所示。

3. 复杂载荷下钢带缠绕增强复合管各层力学性能对比

3.1 内层和外层PE管的力学性能

图5为内层和外层PE管在纯拉伸和组合拉伸(包含内外压和弯曲，且以拉伸载荷为主)载荷作用下的应力云图。可见，纯拉伸作用下应力沿管道分布较均匀，两端应力小于中间段。内层PE管出现螺旋状高应力区，这是由于拉伸过程中钢带边缘对其径向挤压。而在组合拉伸作用下，相同拉伸长度的内层和外层PE管在自由端附近产生严重的屈曲破坏，进入失效状态。

图 5 内层和外层聚乙烯(PE)管在纯拉伸和组合拉伸下的应力分布

Figure 5. Stress distributions of inner and outer polyethylene (PE) pipes under pure tensile and combined tensile loads

下载: 全尺寸图片幻灯片

图6为内层和外层PE管在纯拉伸和组合拉伸作用下应力及应变随拉伸量的变化。由图6(a)可知，纯拉伸载荷作用时，轴向位移为0~90 mm范围内的应变呈线性变化，复合管处于弹性状态，且内层和外层PE管应变基本一致。在组合拉伸下，内层和外层PE管在拉伸至77 mm时应变急剧增大，达到屈服极限，开始产生塑性变形，且外层PE管应变大于内层PE管。由图6(b)可知，当拉伸至76.5 mm时，外层PE管的最大Mises应力达到22.60 MPa，内层PE管为21.51 MPa，进一步说明在组合拉伸的条件下，外层PE管力学响应较内层PE管更为敏感。

图 6 内层和外层PE管在纯拉伸和组合拉伸作用下的应力和应变

Figure 6. Stress and strain of inner and outer PE pipes under pure tensile and combined tensile loads

下载: 全尺寸图片幻灯片

外层PE管应力分布如图6(a)内图所示。可知，在拉伸过程中管道自由端上部出现高应力区，外层PE管螺旋状高应力区的应力值逐渐增大，最终在拉伸约至77 mm时，外层PE管在自由端附近发生屈曲失效。

图7为内层和外层PE管在纯弯曲和组合弯曲(包含内外压和拉伸，且以弯曲载荷为主)作用下的应力云图。可见，在纯弯曲作用下，高应力区出现在管道固定端附近上部。而在组合弯曲作用下的高应力区出现在管道自由端附近，并发生屈曲破坏。同时外层PE管应力分布较内层PE管更具规律性。

图 7 内层和外层PE管在纯弯曲和组合弯曲下的应力分布

Figure 7. Stress distribution of inner and outer PE pipes under pure bending loads and combined bending loads

下载: 全尺寸图片幻灯片

图8为内层和外层PE管在纯弯曲和组合弯曲作用下的应力和应变随弯曲角度的变化。由图8(a)可知，在纯弯曲作用下，内层和外层PE管均处于弹性阶段；在组合弯曲载荷作用下，内层和外层PE管的应变在弯曲角度分别为0.24 rad和0.25 rad时急剧增加，外层PE管提前失效。由图8(b)可知，无论是在纯弯曲载荷作用下还是组合弯曲载荷作用下，外层PE管的Mises应力始终大于内层PE管。

图 8 内层和外层PE管在纯弯曲和组合弯曲作用下应力和应变

Figure 8. Stress and strain of inner and outer PE pipes under pure bending and combined bending loads

下载: 全尺寸图片幻灯片

外层PE管应力分布如图8(a)内图所示。可知，钢带缠绕增强复合管变形过程中外层PE管的高应力区不断向自由端集中，并在其附近发生屈曲破坏。管道整体曲率半径非常大，说明在组合弯曲载荷作用下钢带缠绕增强复合管弯曲刚度大幅度提高，柔性降低。

3.2 钢带增强层的力学性能

图9为组合拉伸载荷和组合弯曲载荷作用下内层缠绕钢带的应力云图。可见，钢带在组合拉伸载荷和组合弯曲载荷作用下应力分布几乎一致。应力沿轴向方向呈非均匀分布，这是由于边界条件的非线性即端部效应，钢带在边缘部分出现应力集中造成的。同时，应力集中区域沿某一路径具有对称性。创建相应路径及节点编号1~7，提取一组单元在同一时刻对应节点的Mises应力，如图9所示。由文献[8]可知，纯拉伸下内层钢带对称应力的路径平行于带宽分布，而组合拉伸载荷和组合弯曲载荷作用下的路径发生偏移，说明复杂载荷会改变内层钢带对称应力分布路径。

图 9 内层缠绕钢带应力云图及节点Mises应力

Figure 9. Stress cloud diagram of inner wound steel strip and Mises stress of nodes

下载: 全尺寸图片幻灯片

4. 参数敏感性分析

4.1 钢带螺旋角度

选取钢带缠绕增强复合管中钢带增强层的三种螺旋角度(±54.7°、±60.5°、±67.7°)进行分析。图10为组合拉伸载荷作用下螺旋角对钢带缠绕增强复合管拉伸性能的影响。可见，随着螺旋角度增大，由于未发生层间相对滑动，钢带缠绕增强复合管在弹性阶段的拉伸刚度几乎不发生变化；在过渡及屈服阶段，钢带缠绕增强复合管的拉伸刚度增大，柔性降低，这是由于螺旋角度的增大，增加了单位轴向长度内钢带缠绕圈数，导致钢带覆盖率提高，总摩擦力增大，钢带缠绕增强复合管各层之间不易产生滑移。随着螺旋角增大，钢带缠绕增强复合管屈曲时的临界拉力增大，抗拉承载能力提高。

图 10 组合拉伸载荷作用下螺旋角对钢带缠绕增强复合管拉伸性能影响

Figure 10. Effect of helix angles on tensile properties of reinforced composite pipe wound with steel strip under combined tensile load

下载: 全尺寸图片幻灯片

图11为组合弯曲载荷作用下螺旋角对钢带缠绕增强复合管弯曲性能影响。可见，随着螺旋角度增大，钢带缠绕增强复合管在弹性阶段的弯曲刚度基本不变；在屈服阶段，钢带缠绕增强复合管弯曲刚度随螺旋角增大而增大，柔性降低，这是由于螺旋角度越大，在保持钢带宽度不变条件下，单位轴向长度内钢带缠绕圈数增大，即钢带覆盖率越高，钢带缠绕增强复合管整体刚度越大；钢带缠绕增强复合管屈曲时的临界弯矩呈非单调变化，存在极大值，当弯曲角度为0.215 rad时，螺旋角为60.5°的钢带缠绕增强复合管弯矩为697 kN·m，载荷达到屈曲临界值，而螺旋角为54.7°的钢带缠绕增强复合管仍处于屈服阶段，螺旋角为67.7°的钢带缠绕增强复合管早已失效。

图 11 组合弯曲载荷作用下螺旋角对钢带缠绕增强复合管弯曲性能影响

Figure 11. Effect of helix angles on bending properties of reinforced composite pipe wound with steel strip under combined bending load

下载: 全尺寸图片幻灯片

4.2 层间摩擦系数

图12为组合拉伸载荷作用下摩擦系数对钢带缠绕增强复合管拉伸性能的影响。可知，在组合拉伸载荷作用下，随着摩擦系数增大，钢带缠绕增强复合管在弹性阶段轴向拉伸刚度基本不变，体现了较强整体性；在过渡阶段，钢带缠绕增强复合管拉伸刚度提高，柔性降低，这是由于摩擦系数的增大提高了层间滑动摩擦力，迟滞效应更加明显；钢带缠绕增强复合管屈曲时的临界拉力增大，抗拉承载能力提高，即当摩擦系数为0.2时，钢带缠绕增强复合管在拉伸至77 mm时失效，而对于其他情况，其失效时的拉伸量均小于77 mm。

图 12 组合拉伸载荷作用下摩擦系数对钢带缠绕增强复合管拉伸性能的影响

Figure 12. Effect of friction coefficients on tensile properties of reinforced composite pipe wound with steel strip under combined tensile load

下载: 全尺寸图片幻灯片

图13为组合弯曲下摩擦系数对钢带缠绕增强复合管弯曲性能影响。可见，随着摩擦系数增大，弹性阶段的钢带缠绕增强复合管与组合拉伸载荷作用下刚度的变化规律类似。钢带缠绕增强复合管屈曲时的临界弯矩逐渐增大，抗弯承载能力提高。

图 13 组合弯曲下摩擦系数对钢带缠绕增强复合管弯曲性能影响

Figure 13. Effect of friction coefficients on bending properties of reinforced composite pipe wound with steel strip under combined bending load

下载: 全尺寸图片幻灯片

5. 结论

(1)压差(外压大于内压，且≤2 MPa)越大，钢带缠绕增强复合管柔性越高；钢带缠绕增强复合管弯矩存在极大值。与纯拉伸作用相比，组合拉伸载荷作用时钢带缠绕增强复合管屈服时的临界拉力降低，抗拉承载能力降低；与纯弯曲作用相比，组合弯曲载荷作用时钢带缠绕增强复合管柔性大幅降低。

(2)复杂载荷作用的高应力区出现在钢带缠绕增强复合管自由端附近，并在此处发生屈曲失效，且外层聚乙烯(PE)管的应变大于内层PE管；而在纯弯曲载荷作用下，高应力区出现在钢带缠绕增强复合管的固定端，纯拉伸载荷作用下应力分布较均匀；复杂载荷会改变内层钢带对称应力的分布路径。

(3)复杂载荷作用下，钢带螺旋角度及摩擦系数越大，钢带缠绕增强复合管柔性越低。在组合拉伸载荷作用下，增大钢带螺旋角及层间摩擦系数，钢带缠绕增强复合管屈曲时的临界拉力增大，承载能力提高。在组合弯曲载荷作用下，螺旋角增大使钢带缠绕增强复合管屈曲时的临界弯矩呈非单调变化，存在极大值；层间摩擦系数越大，临界弯矩越大，钢带缠绕增强复合管的抗弯承载能力提高。

图 1 磁场诱导的MGO水泥净浆制备流程

Figure 1. Magnetic field induced preparation process of MGO-cement paste

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 GO和MGO的拉曼光谱图

Figure 2. Raman spectra of GO and MGO

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 (a) GO、MGO的XPS全谱图 (b) GO、MGO的XPS C 1s谱图 (c) MGO的XPS Fe 2p轨道分峰图和 (d) MGO的XPS O 1s 谱图

Figure 3. (a)XPS survey spectra of GO and MGO(b)XPS C 1s spectra of GO and MGO (c) XPS Fe 2p spectrum of MGO and (d) XPS O 1s spectrum of MGO

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 MGO在不同倍率下的SEM图像

Figure 4. SEM images of MGO at different magnification

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 (a)，(b)，(c) MGO在不同倍率下的TEM图像；(d) MGO的EDS分布图

Figure 5. (a), (b), (c) TEM images of MGO at different magnification; (d) elemental mappings of MGO

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 MGO分散液的(a、b)稳定性、(c)磁响应

Figure 6. (a、b) stability and (c) magnetic response of MGO aqueous dispersion

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 不同 MGO掺量对水泥净浆流动度的影响

Figure 7. Effect of different MGO contents on cement paste fluidity

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 同一掺量MGO在平行于磁场方向截面较垂直于磁场方向截面的抗压强度增长率

Figure 8. Growth rate of compressive strength of the same contents of MGO in the cross section parallel compared to perpendicular to the magnetic field direction

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 不同 MGO掺量下28 d水泥净浆XRD 图谱

Figure 9. XRD pattern of cement paste at 28 days with different MGO content

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 MGO调控水泥水化产物的机制分析图

Figure 10. Schematic diagram of the functional role of MGO in cement paste

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 水泥的化学成分

Table 1 Chemical composition of cement

Mineral	Al₂O₃	SiO₂	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	NaO	f-CaO
Content / wt%	4.47	21.50	3.37	65.84	3.18	0.30	0.49	0.78
Note: f-CaO−Free calcium oxide.

下载: 导出CSV

表 2 不同MGO掺量的水泥净浆配合比

Table 2 Mix ratios of cement paste with different contents of MGO

Sample^①	Cement/g	PCE^②/g	water/g	MGO^③/wt%
0 wt%MGO/CP 0.05 wt%MGO/CP_ab 0.07 wt%MGO/CP_ab 0.09 wt%MGO/CP_ab 0.10 wt%MGO/CP_ab 0.30 wt%MGO/CP_ab 0.50 wt%MGO/CP_ab	470 470 470 470 470 470 470	0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5	149.2 149.2 149.2 149.2 149.2 149.2 149.2	/ 0.05 0.07 0.09 0.10 0.30 0.50
Notes：①X wt% MGO/CP denotes a cement paste specimen with a content of X% MGO；CP stands for cement paste； The subscript a indicates parallel to the direction of the magnetic field, and b indicates perpendicular to the direction of the magnetic field.②PCE is polycarboxylic acid water reducing agent；MGO is Fe₃O₄@ RGO.③Content of MGO is its mass ratio to Cement.

下载: 导出CSV

表 3 不同掺量的MGO对水泥净浆抗压强度的影响

Table 3 Effect of different MGO contents on compressive strength of cement paste

Sample	Compressive strength(MPa)/growth rate(%) Perpendicular to the magnetic field		Compressive strength(MPa)/growth rate(%) Parallel to the magnetic field
Sample	7 d	28 d	7 d	28 d
0wt%MGO/CP 0.05wt%MGO/CP 0.07wt%MGO/CP 0.09wt%MGO/CP 0.10wt%MGO/CP 0.30wt%MGO/CP 0.50wt%MGO/CP	39.1/0 40.0/2.30 42.1/7.67 45.3/15.86 46.8/19.69 44.1/12.79 42.4/8.44	53.1/0 54.9/3.39 55.8/5.08 57.4/8.10 58.2/9.60 56.1/5.65 55.1/3.77	39.1/0 41.1/5.12 44.5/13.81 48.2/23.27 50.7/29.67 45.0/15.09 42.2/7.93	53.1/0 56.8/6.97 59.6/12.24 62.4/17.51 65.3/22.98 64.1/20.72 62.6/17.89

下载: 导出CSV

参考文献(30)

[1]	桂尊曜, 蒲云东, 张惠一, 等. 石墨烯量子点对水泥砂浆流动度、强度和耐盐腐蚀性的影响[J]. 复合材料学报, 2024, 41(04): 2043-2054. GUI Zunyao, PU Yundong, ZHANG Huiyi, et al. Effect of graphene quantum dots on fluidity, strength and salt corrosion resistance of cement mortar[J] . Acta Materiae Compositae Sinica, 2024, 41(04): 20432054. (in Chinese).
[2]	程志海, 杨森, 袁小亚. 石墨烯及其衍生物掺配水泥基材料研究进展[J]. 复合材料学报, 2021, 38(2): 339-360. CHENG Zhi-Hai, YANG Sen, YUAN Xiao-Ya. Research progress of cement-based materials blended with graphene and its derivatives[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2021, 38(2): 339-360(in Chinese).
[3]	KAKISAWA H, SUMITOMO T. The toughening mechanism of nacre and structural materials inspired by nacre[J/OL]. Science and Technology of Advanced Materials, 2011, 12(6): 064710. DOI: 10.1088/1468-6996/12/6/064710
[4]	吕生华, 马宇娟, 邱超超, 等. 氧化石墨烯对水泥石微观结构及性能的影响[J]. 混凝土, 2013, (8): 51-54. DOI: 10.3969/j.issn.1002-3550.2013.08.014 LV Shenghua, MA Yujuan, QIU Chaochao, et al. Effects of graphene oxide on microstructure of hardened cement paste and its properties[J]. Concrete, 2013, (8): 51-54(in Chinese). DOI: 10.3969/j.issn.1002-3550.2013.08.014
[5]	曹蔚琦, 魏致强, 刘川, 等. 氧化石墨烯/热还原氧化石墨烯改性砂浆的力学/电学性能研究[J]. 功能材料, 2024, 55(1): 1111-1116. CAO Weiqi, WEI Zhiqiang, LIU Chuan, et al. Study on mechanical/electrical properties of cement mortar modified by graphene oxide/thermal reduction graphene oxide[J]. Journal of Functional Materials, 2024, 55(1): 1111-1116(in Chinese).
[6]	罗素蓉, 姚佳敏, 周恩泉, 等. 氧化石墨烯改性纤维增强水泥基材料的拉伸性能[J]. 建筑材料学报, 2024, 27(5): 400-407. DOI: 10.3969/j.issn.1007-9629.2024.05.003 LUO Surong, YAO Jiamin, ZhOU Enquan, et al. Tensile Properties of Fibers Reinforced[J]. Journal of Building Materials, 2024, 27(5): 400-407(in Chinese). DOI: 10.3969/j.issn.1007-9629.2024.05.003
[7]	齐孟, 蒲云东, 杨森, 等. 氧化石墨烯对水泥基渗透结晶型防水材料抗渗性能的影响[J]. 复合材料学报, 2023, 40(03): 1598-1610. QI Meng, PU Yundong, YANG Sen, et al. Effect of graphene oxide on the impermeability of ce mentitious capillary crystalline waterproofing[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(03): 15981610. (in Chinese).
[8]	袁小亚, 曾俊杰, 高军, 等. 氧化石墨烯与石墨烯复掺对水泥砂浆性能影响研究[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2019, 38(9): 45-50. YUAN Xiaoya, ZENG Junjie, GAO Jun, et al. Effect of Addition of Graphene Oxide and Graphene on Properties of Cement Mortar[J]. Journal Of Chongqing Jiaotong University (Natural Science), 2019, 38(9): 45-50(in Chinese).
[9]	吕生华, 张佳, 殷海荣, 等. 氧化石墨烯调控水化产物增强增韧水泥基复合材料的研究进展[J/OL]. 陕西科技大学学报, 2019, 37(3): 136-145. DOI: 10.3969/j.issn.1000-5811.2019.03.022 LV S H, ZhANG J, YIN H R, et al. Research progress of graphene oxide reinforced and toughened cement-bas- sed composite[J/OL]. Journal of Shaanxi University of Science & Technology, 2019, 37(3): 136-145(in Chinese). DOI: 10.3969/j.issn.1000-5811.2019.03.022
[10]	苟鸿翔, 朱洪波, 周海云, 等. 定向分布钢纤维对超高性能混凝土的增强作用[J]. 硅酸盐学报, 2020, 48(11): 17561764. GOU H. X. , ZhU H. B. , ZHOU H. Y. , et al. Reinforcement of Directionally Distributed Steel Fibers on Ultrahigh Performance Concrete[J]. Journal Of The Chinese Ceramic Society, 2020, 48(11): 17561764. (in Chinese).
[11]	MU R, LI H, QING L, et al. Aligning steel fibers in cement mortar using electro-magnetic field[J/OL]. Construction and Building Materials, 2017, 131: 309-316. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.11.081
[12]	GENG J, MEN Y, LIU C, et al. Preparation of rGO@Fe₃O₄ nanocomposite and its application to enhance the thermal conductivity of epoxy resin[J/OL]. RSC Advances, 2021, 11(27): 16592-16599. DOI: 10.1039/D1RA02254G
[13]	ZHANG H, WU W, CAO J, et al. Magnetic induced wet-spinning of graphene oxide sheets grafted with ferroferric oxide and the ultra-strain and elasticity of sensing fiber[J/OL]. Composites Part B: Engineering, 2019, 170: 1-10. DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.04.018
[14]	邓富泉, 张丽, 杨松, 等. 氧化石墨烯有序排列对碳纤维增强环氧树脂复合材料低温性能影响[J]. 高分子材料科学与工程, 2017, 33(07): 38-44. DENG FQ, ZHANG L, YANG S, et al. Effects of Grahene Oxide Alligned in Matrix on Mechanical Properties of Carbon Fiber Reinforced Epoxy Composites at Cryogenic Temperature[J]. Polymer Materials Science And Engineering, 2017, 33(07): 3844. (in Chinese).
[15]	LIU S, CHEN Y, LI X, et al. Development of bio-inspired cement-based material by magnetically aligning graphene oxide nanosheets in cement paste[J/OL]. Construction and Building Materials, 2023, 369: 130545. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.130545
[16]	YAN Y, TIAN L, ZHAO W, et al. Dielectric and mechanical properties of cement pastes incorporated with magnetically aligned reduced graphene oxide[J/OL]. Developments in the Built Environment, 2024, 18: 100471. DOI: 10.1016/j.dibe.2024.100471
[17]	中国国家标准化管理委员会. 水泥胶砂强度检验方法(ISO法): GB/T 17671−2021[S]. 北京: 中国标准出版社, 2021 China National Standardization Management Committee. Strength test method of cement mortar (ISO method): GB/T 17671−2021[S]. Beijing: China Standards Press, 2021(in Chinese).
[18]	中国国家标准化管理委员会. 水泥胶砂流动度测定方法: GB/T 2419−2005[S]. 北京: 中国标准出版社, 2005. Standardization Administration of the People's Republic of China. Method for determining the flowability of cement mortar: GB/T 2419-2005[S]. Beijing: China Standards Press, 2005(in Chinese)
[19]	LIU Y, LU M, WU K, et al. Anisotropic thermal conductivity and electromagnetic interference shielding of epoxy nanocomposites based on magnetic driving reduced graphene oxide@Fe₃O₄[J/OL]. Composites Science and Technology, 2019, 174: 1-10. DOI: 10.1016/j.compscitech.2019.02.005
[20]	姜晓琳, 李君, 刘臻, 等. 石墨烯炭材料的结构表征方法[J]. 洁净煤技术, 2023, 29(12): 75-82. JIANG Xiaolin, LI Jun, LIU Zhen, et al. Research on the characterization methods of graphene carbon materials[J]. Clean Coal Technology, 2023, 29(12): 7582. (in Chinese).
[21]	STANKOVICH S, DIKIN D A, PINER R D, et al. Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide[J/OL]. Carbon, 2007, 45(7): 1558-1565. DOI: 10.1016/j.carbon.2007.02.034
[22]	袁小亚, 杨雅玲, 周超, 等. 氧化石墨烯改性水泥砂浆力学性能及微观机制研究[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2017, 36(12): 36-42. YUAN Xiaoya, YANG Yaling, ZHOU Chao, et al. Mechanical Properties and Microcosmic Mechanism of Cement Mortar Modified by Graphene Oxide[J]. Journal Of Chongqing Jiaotong University (Natural Science), 2017, 36(12): 36-42(in Chinese).
[23]	桂尊曜, 蒲云东, 张惠一, 等. 水中可分散型石墨烯对水泥净浆导电、发热及热电性能的影响[J/OL]. 复合材料学报, 2023, 40(11): 63366350. GUI Zunyao, PU Yundong, ZHANG Huiyi, et al. Effects of dispersible graphene in water on the electrical conductivity, heat generation and thermoelectric properties of cement slurry[J/OL]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(11): 63366350(in Chinese).
[24]	PU Y. Synergistic effect of graphene oxide and hydroxylated graphene on the enhanced properties of cement composites[J/OL]. RSC Advances, 2022.
[25]	NAIR S D, FERRON R D. Set-on-demand concrete[J/OL]. Cement and Concrete Research, 2014, 57: 13-27. DOI: 10.1016/j.cemconres.2013.12.001
[26]	WU N, XU D, WANG Z, et al. Achieving superior electromagnetic wave absorbers through the novel metal-organic frameworks derived magnetic porous carbon nanorods[J/OL]. Carbon, 2019, 145: 433-444. DOI: 10.1016/j.carbon.2019.01.028
[27]	袁小亚, 张维福, 曹潘磊, 等. 复掺石墨烯/氧化石墨烯改性砂浆电学与融雪化冰性能研究[J]. 功能材料, 2021, 52(12): 12100-12110. YUAN Xiaoya, ZHANG Weifu, CAO Panlei, et al. Study on performace of wollastonite reinforced fly ash-basedgeopolymer. (in Chinese).
[28]	吕生华, 孙婷, 刘晶晶, 等. 氧化石墨烯纳米片层对水泥基复合材料的增韧效果及作用机制[J/OL]. 复合材料学报, 2014, 31(3): 644-652. LV S H, SUN T, LIU J J, et al. Toughening effect and mechanism of graphene oxide nanosheets on cement matrix composites[J/OL]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2014, 31(3): 644652. (in Chinese).
[29]	袁小亚, 蒲云东, 桂尊曜, 等. 羟基化石墨烯对粉煤灰-水泥基复合材料性能的影响[J]. 材料导报, 2024, 38(11): 148-155. YUAN Xiaoya, PU Yundong, GUI Zunyao, et al. Effect of Hydroxylated Graphene on Properties of Fly Ash-Cement Matrix Composites[J]. Materials Reports, 2024, 38(11): 148-155(in Chinese).
[30]	张惠一, 桂尊曜, 蒲云东, 等. 羟基化石墨烯对水泥基渗透结晶型防水材料力学性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2023, 42(5): 15691577+1588-1577+1588. ZHANG Hui-Yi, GUI Zun-Yao, PU Yun-Dong, et al. Effect of Hydroxylated Graphene on Mechanical Properties of Cement-Based Permeable Crystalline Waterproof Materials[J]. Bulletin Of The Chinese Ceramic Society, 2023, 42(5): 15691577+1588-1577+1588(in Chinese).

施引文献

资源附件(0)

长摘要

目的
本研究通过外部磁场诱导调控石墨烯纳米片在水泥基材料中的定向排列，以显著提升水泥基材料的力学性能。石墨烯（G）作为二维纳米材料，因其优异的机械性能和导电导热性能，在增强水泥基材料方面展现出巨大潜力。然而，传统方法下石墨烯在水泥基体中的随机分布限制了其强化效果的充分发挥。因此，本研究聚焦于开发一种磁性纳米复合材料FeO@RGO（MGO），并通过磁场诱导技术实现MGO纳米片在水泥净浆中的定向排列，以期达到优化水泥基材料力学性能的目的。
方法
本研究采用一步共沉淀法，将FeO纳米颗粒成功附着在热还原氧化石墨烯（RGO）纳米片上，制备出具有磁性的纳米复合材料MGO。该方法利用FeO的磁性特性，使得MGO纳米片能够在外部磁场的作用下发生定向移动和排列。随后，将不同掺量的MGO纳米片加入水泥净浆中，并在制备过程中施加外磁场，使MGO纳米片沿磁场方向定向排列。为了评估磁场诱导对水泥基材料力学性能的影响，本研究分别测试了硬化水泥净浆在垂直和平行于磁场方向上的抗压强度。
结果
实验结果表明，当不同掺量的MGO掺加至水泥净浆中并进磁场处理后，水泥净浆不同截面的7d、28d抗压强度均高于空白组，且随着MGO掺量的增加，水泥净浆抗压强度表现出先增加后降低的趋势。当MGO的掺量为0.1 wt %时，试件平行于磁场方向的截面7d、28d抗压强度达到最高值，此时7d抗压强度从39.1 MPa增加至50.7 MPa，较普通水泥净浆提升了29.67 %；28d抗压强度从53.1 MPa提升至65.3 MPa，较普通水泥净浆提升了22.98 % 。当MGO的掺量分别为0.1wt %时，试件平行于磁场方向的截面7 d抗压强度较垂直于磁场方向的截面强度增长了8.33 %；28 d时平行于磁场方向的截面抗压强度较垂直于磁场方向的截面强度增长了12.20 %。这表明在水泥净浆中磁场诱导了MGO中石墨烯纳米片的定向排列，由于MGO具有模板作用调控水化产物的形貌，优化水泥水化产物的完整度和结晶度，从而使得水泥净浆在某一截面上的抗压强度得到了提高。但随着MGO掺量的增多，这种改善作用会慢慢减弱，这是由于MGO掺量较大时，有部分的MGO可能会发生团聚，从而造成试件的力学性能下降。具体而言，当MGO掺量为0.1%时，平行于磁场方向的截面抗压强度比垂直于磁场方向的截面抗压强度高出了12.20%。这一结果直接证明了MGO纳米片在磁场诱导下确实发生了定向排列，且这种排列方式促进了水泥水化产物的规整排列和生长，从而提高了水泥基材料的力学性能。
结论
本研究通过外部磁场诱导技术，成功实现了石墨烯纳米片在水泥基材料中的定向排列，为制备高性能水泥基材料提供了一种创新且有效的途径。实验结果表明，磁场诱导下的MGO纳米片定向排列能够显著提升水泥基材料的抗压强度，特别是在平行于磁场方向上表现出更为优异的力学性能。这一发现不仅丰富了石墨烯增强水泥基材料的研究内容，也为未来高性能建筑材料的设计和开发提供了新的思路和方法。此外，本研究还揭示了磁场诱导对水泥水化过程及产物结构的影响机制，为深入理解水泥基材料的微观结构与宏观性能之间的关系提供了重要参考。

创新点

在建筑和工程领域，提升水泥基材料的力学性能是实现结构耐久性和稳定性的关键。传统方法中，石墨烯作为一种高性能的纳米填料，由于其在水泥基材料中的随机分散，未能充分发挥其增强潜力。
本研究针对这一工程技术难点，本研究通过一步共沉淀法成功制备了磁性纳米复合材料Fe₃O₄@RGO（MGO），并通过外部磁场诱导石墨烯纳米片在水泥净浆中的有序定向排列，显著提升了水泥基材料的力学性能，磁性MGO对水泥净浆的力学性能产生了显著影响。实验数据显示，当MGO掺量为0.1%时，平行于磁场方向的截面7天抗压强度提升了29.67%，28天抗压强度提升了22.98%；而垂直于磁场方向的截面抗压强度分别增长了8.33%和12.20%。研究揭示了MGO作为模板在水泥水化过程中促进水化产物规整排列生长的机制，并通过微观结构测试深入理解了MGO与水泥水化产物的相互作用，为开发具有更优性能的水泥基复合材料提供了科学依据和有效途径。
Growth rate of compressive strength of the same contents of MGO in the cross section parallel compared to perpendicular to the magnetic field direction
Schematic diagram of the functional role of MGO in cement paste