Effect of graphene-oxide coated sand on the properties of cement mortar
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摘要: 界面过渡区(ITZ)是水泥基材料中最为薄弱的部分,对水泥砂浆和混凝土的力学性能和耐久性有决定性的作用。本研究通过将氧化石墨烯(GO)附着在砂粒表面,探究GO包覆砂(GO@sand)对水泥砂浆性能的影响。结果表明,砂在GO悬浮液中搅拌12 h后,GO吸附量达到最大值0.093 mg/g;当GO掺量为0.024%时,可以显著改善水泥砂浆的力学性能和耐久性能,相比基准试件,3d抗压强度和抗折强度分别提高了31.12%、23.21%;28 d抗压强度和抗折强度也提高了11.76%、17.65%;砂浆抗渗压力提高了140%,抗硫酸盐侵蚀性能也有较大提升。通过对硬化后的水泥砂浆试块的XRD和SEM测试结果分析,表明吸附在砂表面的GO能加速ITZ区域的水泥水化进程、提高水化产物含量,增强ITZ的密实度,抑制微裂纹的扩展,从而增强水泥砂浆的力学性能和耐久性能。本文提供了一种GO@sand的方法来提升水泥砂浆的性能,凸显了GO@sand对ITZ纳米工程的有效性,可推广到其他水泥基材料。Abstract: The interface transition zone (ITZ) is the weakest part in cement-based materials and plays a decisive role in the mechanical properties and durability of cement mortar and concrete. This study explored the impact of graphene oxide coated sand (GO@sand) on the performance of cement mortar by attaching graphene oxide to the surface of sand particles. The results indicate that after stirring the sand in a GO suspension for 12 hours, the amount of GO adsorbed by the sand reaches the maximum value of 0.093 mg/g; When the dosage of GO is 0.024%, it significantly improves the mechanical and durability properties of the cement mortar, Compared to the control specimens, the 3-day compressive strength and flexural strength increase by 31.12% and 23.21%, respectively; the 28-day compressive strength and flexural strength also increase by 11.76% and 17.65%, respectively; the mortar's resistance to permeation is enhanced by 140%, and the resistance to sulfate erosion also shows a significant improvement. The analysis of the XRD and SEM test results from the hardened cement mortar specimens indicates that the GO adsorbed on the surface of the sand has accelerated the hydration process in the ITZ, increased the content of hydration products, enhanced the compactness of the ITZ, and inhibited the propagation of micro-cracks, thereby enhancing the mechanical properties and durability of the cement mortar. This paper provides a method for enhancing the performance of cement mortar using GO@sand, highlighting the effectiveness of GO@sand in ITZ nano-engineering, and indicating that this approach can be extended to other cement-based materials.
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Keywords:
- grapheme oxide /
- cement mortar /
- mechanical properties /
- durability /
- interface transition zone
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水泥混凝土是目前建筑领域用量最大的材料,其微观结构和力学性能之间的联系一直是研究的重点[1]。大量研究表明,位于骨料与凝胶之间的界面过渡区(ITZ)通常是水泥基材料最为薄弱的部分,对水泥砂浆和混凝土的力学及耐久性能具有决定性作用[2]。近年来国内外的众多学者对水泥基材料的ITZ展开了大量的相关研究,其中大多数研究[3,4]通过水对骨料进行预饱和来促进ITZ区域的水泥颗粒的水化反应,从而实现水泥砂浆和混凝土的力学及耐久性能的提升。另外,也有研究通过强化骨料来提高ITZ的性能,Kai Lyu等[5]采用骨料预浸法将纳米SiO2吸附在骨料表面,调节骨料表面附近ITZ微观结构,与直接掺入纳米SiO2相比,抗折和抗压强度均有所提高,并且显著降低了孔隙率,减小了ITZ区域的宽度。近年来的大量研究表明,人们发现低剂量的石墨烯(G)[6–9]和氧化石墨烯(GO)[10,11]等纳米材料掺入水泥基材料中时,能显著提升其力学性能及耐久性能。由于GO能够良好的改善水泥基材料的微观结构,关于其在增强ITZ方面的研究也随之增多。张瑞君等[12]掺入GO制备超高性能混凝土,发现掺入0.06 wt%的GO时,试件28 d抗压抗折强度分别提高了12.0%和50.0%,氯离子扩散系数降低了31.8%,微观分析表明掺入GO后水泥水化程度大幅提高,密实了结构的ITZ,进而提高结构的强度和抗渗性。Hoan D. Nguyen等[13]将GO通过氨基官能团化学结合在砂上,研究发现通过使用GO涂层砂,试件28 d龄期时的吸水率降低了20%,抗压和抗折强度分别提高了15%和34%,这是由于GO和砂之间的强共价键阻止了GO在基质内的分离和团聚,此外GO在界面及其与水泥膏的粘结可使微观结构更加致密,ITZ厚度减少,提高了ITZ的韧性,进而使结构强度提高。但是,目前通过GO改善ITZ的研究制备过程复杂,并未对砂通过物理吸附GO作出讨论。
本文主要研究了砂在GO悬浮液中搅拌不同时间下得到不同吸附量的GO@sand对水泥砂浆性能的影响。通过不同搅拌时间调节包覆在砂表面的GO吸附量,研究不同GO吸附量对砂浆力学性能、微观结构、抗渗性能的影响。研究表明,相比对照试件,掺加GO@sand的水泥砂浆性能有明显改善。传统GO加入水泥砂浆中的方式[14,15],需要提前将减水剂、分散剂等一起分散好后,再加入水泥和砂中拌合,而本文的GO直接包覆砂的方式工艺简单、成本更低,并且对水泥砂浆的性能提升更显著。
1. 实验
1.1 原材料
实验所用水泥为重庆永固新型建材有限公司提供的普通硅酸盐水泥(P.O.42.5 R),水泥的相关物理性能以及化学成分参数如表1、表2所示;氧化石墨质量分数为3.18%,固含量为43.17%,其原浆由常州第六元素材料科技股份有限公司提供,氧化石墨粉末分散在去离子水中,超声分散后得到GO悬浮液;标准砂(S)由厦门艾思欧标准砂有限公司生产,为ISO 标准砂;聚羧酸减水剂(PCE)减水率为24.40%,由重庆科之杰新材料有限公司提供。
Stability/mm Fineness/% Density/(g·mm−3) Specific Surface
Area/(m2·kg−1)Standard
Consistency/%Coagulation Time /min Initial coagulation Final coagulation 0.50 0.60 3.15 350 25.60 132 198 Mineral Al2O3 SiO2 Fe2O3 CaO MgO SO3 NaO f-CaO C3S C2S C3A C4AF Content/wt% 4.47 21.5 3.37 65.84 3.18 0.3 0.49 0.78 58.92 20.19 8.12 8.21 Note: f-CaO−Free calcium oxide. 1.2 GO@sand水泥砂浆试件的制备
以氧化石墨为原料,采用超声法配置浓度为1.9 mg/mL的GO悬浮液。GO@sand制备过程如图1所示,将清洗后的砂搅拌在GO悬浮液中,以400 r/min转速分别搅拌5 h、10 h、15 h后过滤出砂,放入60℃烘箱中干燥48 h,得到GO@sand。通过煅烧法测得各搅拌时间下得到的xh-GO@sand(x表示搅拌的时间)中GO吸附量。
水泥砂浆配合比如表3所示,用
1350 g GO@sand直接替代标准砂,将吸附在砂表面的GO质量换算成以水泥质量百分比计算的掺量,将未掺加GO@sand的水泥砂浆Z1作为对照组,Z2~Z4分别为搅拌5 h-GO@sand、10 h-GO@sand、15 h-GO@sand制备的砂浆试件。水泥胶砂试件拌合、成型、养护均按照GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》[16]规范要求进行。Sample① Cement/g PCE/g Water/g Sand/g GO②/% Z1(0 h-GO@sand) 450 1.5 171 1350 g0 Z2(5 h-GO@sand) 450 1.5 171 1350 g0.015 Z3(10 h-GO@sand) 450 1.5 171 1350 g0.024 Z4(15 h-GO@sand) 450 1.5 171 1350 g0.028 Notes: ①—Cement mortar specimens prepared by substituting standard sand with xh-GO@sand(stirred for x hours of GO@sand); ②—Dosage of GO was calculated as the weight percentage of the cement. 1.3 测试方法
水泥砂浆流动度测试严格按照《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T
8077 -2012)[17]要求进行;将试件在标准养护条件下养护28 d后,参照GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》[16]测试试件的抗压强度和抗折强度;水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀性能测试参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082 -2009)[18]要求进行,对龄期30 d、60 d、90 d的试件进行测试,观察其表面形貌并测量质量损失及其抗折抗压强度,然后计算砂浆的耐腐蚀系数;水泥砂浆抗渗性能测试严格参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70-2009)[19]规范要求进行。1.4 微观结构测试
采用Sigma300型扫描电子显微镜(SEM,德国卡尔·蔡司股份公司)观察GO在砂表面的包覆状态,并采用EDS分析测试点元素组成;将GO@sand研磨成粉末状并通过5 μm分子筛,过筛后的粉末样品放入恒温干燥烘箱中以60℃的温度烘至恒重,待干燥后送样,采用NicoletiS10型红外光谱仪(FTIR,美国赛默飞世尔科技公司)检测GO与砂之间的化学键合情况,测试范围400~
4000 cm−1;采用配备有532 nm激光的Renishaw 2000拉曼光谱仪判断GO的存在。取28 d龄期的水泥砂浆样品在65℃的烘箱中干燥24 h后,用SEM观察水泥石的微观形貌;样品粉碎后所得的粉末采用D8 Advance型 X射线衍射仪(XRD,德国 Bruker 公司)进行XRD测试。
2. 结果与分析
2.1 GO@sand微观结构分析
确定砂浆配合比前,进行砂对GO的最大吸附量的测试,每隔1 h在GO和砂混合搅拌的溶液中取定量的GO@sand,在60℃烘箱烘干,然后在
1000 ℃管式炉中煅烧6 h,计算煅烧前后烧失量得到GO吸附量(图2)。研究发现当搅拌时长从0 h增至15 h,砂表面GO的吸附量呈现出先增大后趋于稳定的趋势,并且在GO溶液中搅拌12 h时,砂表面能够吸附的GO数量达到最大值,此时吸附量在0.093 mg/g左右。为了验证砂表面成功吸附GO,并且研究GO与砂之间的相互作用,采用SEM、EDS、FTIR光谱和Raman光谱对GO@sand进行分析。图3为标准砂和10 h-GO@sand的SEM图像、EDS图谱,从两种砂的照片对比得知,10 h-GO@sand (图3(a))的颜色较深,呈深黄色,而标准砂(图3(d))呈浅黄色,表明GO成功吸附在砂粒表面;通过对SEM图像和EDS图谱分析,进一步证实了这一点,标准砂(图3(b))表面整洁,仅有少量碎屑,并且有明显裂缝存在,EDS分析得到表面主要元素为O = 47.13 at%,Si = 31.75 at%,如图3(c)所示;而10 h-GO@sand (图3(e))表面可以明显看出大量的GO薄膜均匀的覆盖在表面,呈现出褶皱的形态,GO与砂粒之间贴合紧密,裂缝及碎屑均被GO覆盖,这种厚度较小的 GO 涂层大大增强了 GO 涂层与砂粒之间的粘合力,GO纳米片之间的空隙为水的扩散提供了通道,使水泥水化得以实现[20],EDS分析得到表面主要元素为C = 54.36 at%,O = 25.29 at%,如图3f所示,进一步证实吸附在砂表面的为GO,这与文献[21]一致。
图4为标准砂和10 h-GO@sand的FTIR图谱。标准砂和GO@sand的曲线在
3000 ~3700 cm−1之间对应的是—OH,可归因于晶间水和物理吸附水[22];435 cm−1是Si—O—Si的弯曲振动峰、779 cm−1处的峰为Si—O键对称伸缩振动、标准砂和10 h-GO@sand曲线中1079 cm−1附近均出现一个单峰,这个强而宽的吸收带是由Si—O—Si反对称伸缩振动而引起的[23]。通过对标准砂与10 h-GO@sand的FTIR图谱分析,GO和砂之间并没有发生化学反应形成Si—O—C等化学键,而是一种物理吸附关系,但是10 h-GO@sand的O—H吸收峰产生了红移现象,红移量大概15.6 cm−1,这主要是由于在长时间搅拌过程中砂中的结晶水与GO中O—H之间分子间形成的氢键所致,氢键使砂中的结晶水的O—H键略微伸长,这个增加的键长意味着键的振动频率降低,从而导致吸收峰的红移[24]。
图5是标准砂和10 h-GO@sand的Raman图谱。可以看出,标准砂和GO@sand在462 cm−1位置均有出峰[25],说明硅砂的存在[26] 。另外可以看出在GO@sand的图谱中
1369 cm−1和1590 cm−1位置有峰存在,1369 cm−1对应于石墨烯类材料的D谱带,代表无序的sp3碳结构;1590 cm−1对应于石墨烯类材料的G谱带,代表有序的sp2类石墨晶体结构。D 峰和 G 峰的强度比(ID/IG~1)表明GO是氧化引起的缺陷[27]。因此,进一步证实了砂表面有GO涂层。2.2 GO@sand的吸附稳定性
为了测试GO在砂表面的吸附效果,首先将10 h-GO@sand分别与去离子水和水泥孔隙溶液混合(图6(a)),并用手上下剧烈摇晃瓶子5 min,频率为60次/min(上下为一次),以模拟水泥砂浆混合过程,静置30 min后如图6(b)所示,观察到两组溶液仍较清澈,溶液颜色未发生改变,下层砂粒的颜色也未发生较大变化,证明GO纳米片牢固地吸附着在砂表面,未因去离子水和水泥孔隙溶液浸泡而脱落,表明砂与GO之间存在紧密的结合[28]。这种紧密结合不仅证实了砂与GO纳米片之间的相互作用,而且有助于后续实验的顺利进行。因此,可以确信,使用这种方法制备的GO@sand将在后续实验中展现出优异的性能,为进一步研究GO在水泥基复合材料中的应用提供了有力支持。
2.3 GO@sand对水泥砂浆流动度的影响
不同GO掺量的GO@sand改性水泥砂浆的流动度测试结果与流动度的变化情况如图7所示。从图中可以看出随着GO的掺量增加,水泥砂浆的流动性呈现先减少后增加的趋势。其中,基准组即Z1的水泥砂浆流动度为195.5 mm,当GO掺量分别为0.015%、0.024%和0.028%时,Z2、Z3、Z4样品的水泥砂浆试件流动度分别为185.0 mm、176.0 mm、182.5 mm,相比于Z1基准组而言,Z2、Z3、Z4样品的水泥砂浆流动度分别下降了5.4%、10.0%、6.6%。这种现象出现的原因是分散良好的GO纳米片具有约
2600 m2/g的高比表面积,需要大量的游离水才能润湿其表面[29],使得参与水泥水化的自由水减少,且砂表面GO的包覆促进了砂与水泥浆体之间的粘结,进而降低流动性效果,而试件Z4的流动度又有所提高,这可能是由于15 h的搅拌使GO与砂中结合水的氢键结合数量更多,结合更为牢固,大量的氢键阻止了GO在混合过程中从砂颗粒上脱离,因此试件Z4基质中的游离GO减少了团聚,使游离的纳米片截留的水量降到了最低,使得流动性相对较好[13]。2.4 GO@sand对水泥砂浆力学性能的影响
不同GO掺量的GO@sand改性水泥砂浆的3 d和28 d龄期时的抗折抗压强度测试结果如表4所示。可以观察到随着GO的掺量增加,水泥砂浆的3 d和28 d龄期时的抗折抗压强度均呈现先增加后减少的趋势,并且GO@sand的水泥砂浆都比基准组强度高,说明GO@sand对水泥砂浆的抗折抗压强度的提高都有帮助,提别是对早期强度的提升。与未掺入GO的基准组对照试件Z1相比,试件Z3(GO掺量为0.024%)3 d龄期时的抗压强度从34.7 MPa增至45.5 MPa,增幅达31.12%,28 d抗压强度进一步增至47.5 MPa,较基准组提升11.76%。抗折强度呈现大致相同的增长趋势,3 d和28 d龄期分别提高了23.21%和17.65%,试件的抗折和抗压强度表现最佳,这表明砂表面吸附适量的GO能有效提升水泥砂浆的力学性能。而出现这种趋势的原因是GO在界面区域的包覆作用,有助于形成花状晶体,促进砂与浆体的紧密结合[28],实现孔结构的密实化,抑制后期裂缝扩展,从而提升整体机械强度。同时,GO的模板效应促进了水泥水化产物形成规则结构,增强了结构的致密性。然而,当GO掺量增至0.028%时,结构强度出现下降,可能原因是过量GO片的团聚和堆叠,导致粘结力减弱,强度有所下降。
Sample Flexural strength (MPa)/growth rate (%) Compressive strength (MPa)/growth rate (%) 3 d 28 d 3 d 28 d Z1 5.6/0 6.8/0 34.7/0 42.5/0 Z2 6.7/19.64 7.8/14.71 41.7/20.21 43.7/2.82 Z3 6.9/23.21 8/17.65 45.5/31.12 47.5/11.76 Z4 6.6/17.86 7.3/7.35 45.4/30.84 46.2/8.71 表5详细列出了本研究的GO@sand改性水泥砂浆与现有其他文献报道的GO增强水泥砂浆28 d抗折抗压强度的最佳结果比较分析,可以表明,本研究可以实现GO在较小掺量下达到或者超过其他文献中报道的28 d最佳抗折抗压强度。在水泥砂浆中加入GO传统方式一般是通过先将分散剂与GO混合,使GO均匀分散后再加入水泥和砂中拌合[25,30]或者使用官能团改性的方法使GO在混合过程中保持良好的分散状态[31,32]。但是它们都存在一些问题难以解决,如成本问题、定量问题、吸附性问题、和操作复杂问题等[33],而本文避免了使用其他分散材料引起的复杂系统,操作简单,成本较低,而且可以使GO在水泥基材料中进一步分散,从ITZ层面解决水泥基材料的强度和耐久性等问题,说明了本文的GO@sand改性水泥砂浆的方法可以使GO的作用得到充分发挥。
2.5 GO@sand对水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响
不同GO掺量的GO@sand改性水泥砂浆试件在经过硫酸钠溶液侵蚀60 d、120 d和180 d后的抗折抗压强度耐蚀系数如图8所示。结果表明,随着浸泡时间的增加,所有试件的抗折抗压强度耐蚀系数均有所下降。其中,从图8(a)和图8(b)中的基准组Z1与GO@sand的水泥砂浆试件Z2、Z3、Z4对比得知,在测试的3个龄期中,GO@sand的水泥砂浆试件的抗折抗压强度耐蚀系数始终高于基准组,表明它们的耐腐蚀性能更好。结果表明,在水泥砂浆中将砂替换成GO@sand有利于其耐硫酸盐腐蚀性能,这主要是由于GO牢牢吸附在砂的表面,掺入水泥砂浆搅拌后,GO存在于水泥与砂之间的ITZ区域,而GO可以促进水泥水化,并且发挥模板效应,使C-S-H在GO表面有规律的生长,进而在ITZ区域形成了更为致密的微观结构[21],从而减少了硫酸盐溶液在水泥砂浆中的侵蚀量,提高了其耐久性。除此之外,从图8(a)还可以看出Z3试件在60 d、120 d、180 d的抗折强度耐蚀系数分别为98.56%、92.32%、78.6%,均比其它组要高;同样地,在图8(b)中也能观察Z3试件抗折耐腐蚀系数更佳,甚至在60 d时比基准组高出了12.64%。进一步证实了砂吸附适量的砂可以使水泥砂浆试件的耐久性得到大幅度提高。而经过120 d和180 d的硫酸盐侵蚀后,所有试件的抗折抗压强度耐蚀系数进一步下降,这主要是在硫酸钠溶液的长期浸泡下,水化产物逐渐与硫酸根离子反应,反应形成的膨胀性物质在逐渐增加,进而使得水泥砂浆内部产生了更多连通的孔隙所致。
2.6 GO@sand对水泥砂浆抗渗性能的影响
图9展示了不同GO掺量的GO@sand改性水泥砂浆抗渗压力及抗渗压力比。可知,随着GO掺量的增加,水泥砂浆的抗渗压力和抗渗压力比先是上升,随后出现下降。其中,试件Z3展现出最高的抗渗压力1.2 MPa和抗渗压力比240%,相比于基准组Z1的抗渗压力(0.5 MPa)提高了140%。而Z2和Z4的试件抗渗压力虽低于Z3,但相比于基准组都有较大提升。这一现象表明,向水泥基材料中添加GO@sand,能有效提升其抗渗性能,这种性能提升主要归功于GO在砂表面的吸附作用,它不仅促进了水泥的水化过程,改善了材料的内部孔结构,减小了ITZ的厚度,还在水泥基材料的微裂缝中调控了水化产物的形貌。同时,作为纳米材料,GO有效地填充了砂浆间的孔隙,显著提高了整体结构的密实度。
2.7 GO@sand改性的水泥砂浆的微观形貌及结构
图10展示了Z1和Z3的28 d断面SEM图像,从图10(c)可以观察到Z3砂浆的非裂纹区域呈现出更为致密的结构特征,而图10(a)看起来更加松散,呈棉状。Z1和Z3的裂缝也有明显区别,Z1(图10(a)、10(b))的裂缝是直通的,只看到一个主裂缝,相较于Z1基准组,Z3的微裂纹边缘更为粗糙,并且出现更多的细小裂缝分支,几个较窄的裂纹甚至在微米和亚微米尺度,更粗糙的裂纹边缘以及更多的细小裂缝分支可以转化为更高的强度,这表明GO@sand在调节裂纹扩展和控制裂纹宽度方面具有优势。此外,在Z3的ITZ区域中可以观察到大量萌芽的花状晶体,如图10(d)箭头所示,这是由于GO的“模板效应”[29]使水化产物更倾向于有规律的排列,从而形成交联的GO纳米片,花状晶体在试块断裂时可以吸收大量裂纹扩展的断裂能量,并且抑制微裂纹的扩展,因为微裂纹被迫围绕GO倾斜和扭曲,而不是直接断裂。这些现象都解释了GO@sand改性的水泥砂浆拥有更高的机械强度和耐久性。
图11展示了不同GO掺量的GO@sand改性水泥砂浆的XRD图谱。在XRD图谱中可以观察到不同水泥水化产物的衍射峰,通过基准组Z1与GO@sand改性水泥砂浆Z2、Z3、Z4对比得知,GO的掺入未产生新的衍射峰,所有水化产物的吸收峰位置相同,形状相似,这表明GO@sand不会改变水泥水化产物的物相和晶体结构,只存在部分水泥水化产物在强度和数量上的区别。通过将掺加了GO@sand的Z2、Z3、Z4与基准组相比,可以明显发现一些晶体衍射峰(例如18°和45°处对应的Ca(OH)2和27°处对应的SiO2)的强度增加,说明了GO@sand表面的GO加速了水泥水化的进程,促使水化产物的生成[39],这是因为GO表面富含氧官能团,为水泥水化提供了催化作用,这些官能团不仅作为成核位点,加速了水泥水化产物的形成,还增加了水泥浆体中离子的迁移率,加强了Ca2+与水泥颗粒的相互作用,从而促进了C-S-H凝胶的成核和生长,并且GO的含氧官能团还为水分子和水泥颗粒提供了吸附位点,构建了水分子和水泥颗粒之间的水库与运输通道,有效提升了水化速率[33]。但是,GO牢牢地包覆在砂粒表面,导致GO分散到水泥浆中的数量较少,所以GO大部分存在于ITZ区域,导致水化产物在ITZ区域的含量增加,而水泥浆中的水化产物含量几乎没有差异[21]。因此,综合上述结论可以得出,砂粒表面的GO可以加速ITZ区域的水泥水化进程,并且提高水化产物含量,从而改善ITZ产生更致密的微观组织,这进一步解释了GO@sand改性水泥砂浆有更好的机械强度和耐久性。
3. 结 论
通过控制将砂在GO溶液中的搅拌时间制备了不同吸附量的GO包覆的砂,研究了GO@sand对水泥砂浆性能的影响,具有以下结论:
(1) GO纳米片可以牢牢地吸附在砂粒表面,并且随着搅拌时间的增加,GO的吸附量呈现出先增加后稳定的趋势,当搅拌时长为12 h时,吸附量达到最大值0.093 mg/g;
(2)与基准试件相比,GO@sand的掺入会对水泥砂浆的流动性造成一定程度的负面影响,但是对其力学性能和耐久性能都有较大提升。特别是当GO掺量达到0.024 wt%时,水泥砂浆的3 d抗压强度和抗折强度分别提高了31.12%和23.21%,28 d抗压强度和抗折强度分别提升了11.76%和17.65%;砂浆抗渗压力提高了140%,抗硫酸盐侵蚀性能也有较大提升。这表明在砂粒表面吸附适量的GO能够显著增强水泥砂浆的性能;
(3)通过微观结构分析,水泥砂浆的力学性能和耐久性能的提升归因于GO对ITZ区域微观结构的改善,GO纳米片加速了ITZ区域的水泥水化进程、提高水化产物含量,增强ITZ的密实度,抑制微裂纹的扩展,从而增强水泥砂浆的力学性能和耐久性能。
本研究GO@sand改性水泥砂浆的方法在强度和耐久性增强效率方面高于先前报的GO分散方法,避免了使用其他分散材料引起的复杂系统,操作简单,成本较低,并且可以使GO在水泥基材料中进一步分散,从ITZ层面解决水泥基材料的强度和耐久性问题,凸显了GO@sand对ITZ纳米工程的有效性,可推广到其他水泥基材料。
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表 1 水泥的物理性能
Table 1 Physical properties of cement
Stability/mm Fineness/% Density/(g·mm−3) Specific Surface
Area/(m2·kg−1)Standard
Consistency/%Coagulation Time /min Initial coagulation Final coagulation 0.50 0.60 3.15 350 25.60 132 198 表 2 水泥化学成分
Table 2 Chemical composition of cement
Mineral Al2O3 SiO2 Fe2O3 CaO MgO SO3 NaO f-CaO C3S C2S C3A C4AF Content/wt% 4.47 21.5 3.37 65.84 3.18 0.3 0.49 0.78 58.92 20.19 8.12 8.21 Note: f-CaO−Free calcium oxide. 表 3 GO@sand改性水泥砂浆配合比
Table 3 Mix ratio of GO@sand modified cement mortar
Sample① Cement/g PCE/g Water/g Sand/g GO②/% Z1(0 h-GO@sand) 450 1.5 171 1350 g0 Z2(5 h-GO@sand) 450 1.5 171 1350 g0.015 Z3(10 h-GO@sand) 450 1.5 171 1350 g0.024 Z4(15 h-GO@sand) 450 1.5 171 1350 g0.028 Notes: ①—Cement mortar specimens prepared by substituting standard sand with xh-GO@sand(stirred for x hours of GO@sand); ②—Dosage of GO was calculated as the weight percentage of the cement. 表 4 GO@sand对水泥砂浆抗折抗压强度影响
Table 4 Effect of GO@sand on flexural and compressive strength of cement mortar
Sample Flexural strength (MPa)/growth rate (%) Compressive strength (MPa)/growth rate (%) 3 d 28 d 3 d 28 d Z1 5.6/0 6.8/0 34.7/0 42.5/0 Z2 6.7/19.64 7.8/14.71 41.7/20.21 43.7/2.82 Z3 6.9/23.21 8/17.65 45.5/31.12 47.5/11.76 Z4 6.6/17.86 7.3/7.35 45.4/30.84 46.2/8.71 表 5 GO改性砂浆28 d抗压抗折强度的文献比较分析
Table 5 Comparative literature analysis of 28 d compressive and flexural strength of GO modified mortar
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目的
水泥基材料作为建筑领域的核心材料,其微观结构,尤其是界面过渡区(ITZ),对材料的力学性能和耐久性起着至关重要的作用。传统的水泥砂浆和混凝土由于ITZ的薄弱性,存在诸多性能限制。近年来,纳米材料的引入为改善ITZ提供了新的可能性,其中氧化石墨烯(GO)因其独特的物理化学特性而备受关注。本研究旨在探索氧化石墨烯(GO)直接附着在砂粒表面形成GO@sand的方法,以改善水泥砂浆的界面过渡区(ITZ),从而提高水泥基材料的力学性能和耐久性。研究的目的是简化传统GO分散系统的复杂性,降低成本,同时显著提升水泥砂浆的性能。
方法研究中通过超声法配置GO悬浮液。将清洗后的砂在GO悬浮液中搅拌不同时间,以获得不同吸附量的GO@sand。通过煅烧法测定GO吸附量,并采用SEM、EDS、FTIR光谱和Raman光谱对GO@sand进行微观结构分析,研究GO与砂之间的相互作用。用水泥孔隙溶液对GO@sand进行浸泡已模拟水泥砂浆混合过程,研究GO在砂表面的吸附稳定性。将不同GO吸附量的砂分别用来制备水泥砂浆试件,然后进行流动度测试、抗压强度和抗折强度测试、抗硫酸盐侵蚀性能测试以及抗渗性能测试,探究GO吸附量对水泥砂浆性能的影响情况。
结果实验结果表明,GO纳米片可以牢牢地吸附在砂粒表面,并且随着搅拌时间的增加,GO的吸附量呈现出先增加后稳定的趋势,当搅拌时长为12h时,吸附量达到最大值0.093mg/g。与基准试件相比,GO@sand的掺入会对水泥砂浆的流动性造成一定程度的负面影响,但是对其力学性能和耐久性能都有较大提升。特别是当GO掺量达到0.024wt%时,水泥砂浆的3d抗压强度和抗折强度分别提高了31.12%和23.21%,28d抗压强度和抗折强度分别提升了11.76%和17.65%;砂浆抗渗压力提高了140%,抗硫酸盐侵蚀性能也有较大提升。这表明在砂粒表面吸附适量的GO能够显著增强水泥砂浆的性能。通过微观结构分析,水泥砂浆的力学性能和耐久性能的提升归因于GO对ITZ区域微观结构的改善,GO纳米片加速了ITZ区域的水泥水化进程、提高水化产物含量,增强ITZ的密实度,抑制微裂纹的扩展,从而增强水泥砂浆的力学性能和耐久性能。
结论本研究成功地通过在砂粒表面吸附GO来制备GO@sand,显著提升了水泥砂浆的力学性能和耐久性。GO@sand的制备方法工艺简单、成本较低,并且对水泥砂浆的性能提升效果显著。研究结果表明,适量的GO吸附可以显著增强水泥砂浆的早期和长期强度,提高其耐久性能。此外,GO@sand的应用为实现高性能水泥基材料的设计与制备提供了新的策略,本方法可推广到其他水泥基材料。未来研究将进一步探索不同掺量和不同类型的纳米材料对水泥基材料性能的影响,以及这些材料在实际工程中的应用潜力。
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水泥基材料作为建筑领域的核心材料,其微观结构,尤其是界面过渡区(ITZ),对材料的力学性能和耐久性起着至关重要的作用。传统的水泥砂浆和混凝土由于ITZ的薄弱性,存在诸多性能限制。近年来,纳米材料的引入为改善ITZ提供了新的可能性,其中氧化石墨烯(GO)因其独特的物理化学特性而备受关注。
本研究创新性地提出将GO直接附着在砂粒表面,形成GO@sand,这一方法避免了传统GO分散系统的复杂性,简化了工艺流程,降低了成本。通过将GO@sand与去离子水和水泥孔隙溶液混合后的稳定性测试,证明了GO在砂表面的牢固吸附,并且通过实验测出了GO在砂表面的最大吸附量。通过GO@sand的引入,本研究显著改善了水泥砂浆的ITZ,加速了水泥水化进程,提高了水化产物含量,增强了ITZ的密实度,有效抑制了微裂纹的扩展。研究结果显示,当GO掺量为0.024%时,可以显著改善水泥砂浆的力学性能和耐久性能,相比基准试件,3d抗压强度和抗折强度分别提高了31.12%、23.21%;28d抗压强度和抗折强度也提高了11.76%、17.65%;砂浆抗渗压力提高了140%,抗硫酸盐侵蚀性能也有较大提升。本研究凸显了GO@sand在水泥基材料中应用的巨大潜力,为实现高性能水泥基材料的设计与制备提供了新的策略。