何曉琴

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶　400067)

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納米石墨對(duì)水泥砂漿性能的影響

何曉琴

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶400067)

摘要：研究納米石墨作為外加劑時(shí)，其對(duì)水泥砂漿流動(dòng)性及力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)時(shí)，先通過(guò)分散劑曲拉通X-100對(duì)納米石墨進(jìn)行水相分散，并將分散均勻的納米石墨混合液以等比例替換拌和水的方式加入到水泥砂漿中，然后以對(duì)照方式比較摻加或未摻加納米石墨的水泥砂漿的性能優(yōu)劣。試驗(yàn)結(jié)果表明：納米石墨的摻入會(huì)使水泥砂漿流動(dòng)性降低，但其力學(xué)性能都得到明顯改善；隨著納米石墨摻量增加，水泥砂漿強(qiáng)度提升越明顯。

關(guān)鍵詞：納米石墨；水泥砂漿；流動(dòng)性；力學(xué)性能

納米材料尺寸小(1～100 nm)，其在結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)性質(zhì)方面具有特殊性能，是當(dāng)今材料學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，被科學(xué)家們譽(yù)為“21 世紀(jì)最有前途的材料”[1]。納米石墨作為新型納米材料，其兼具石墨與納米材料的優(yōu)良特性，是一種具有優(yōu)良導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的具有多層結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)材料[2]。其良好的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)等微觀特性使其在潤(rùn)滑、儲(chǔ)氫材料、聚合物納米石墨復(fù)合材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[3-5]。水泥混凝土作為一種脆性材料，在其制備及服役期間，由于荷載和外界因素的作用，容易產(chǎn)生疏松、剝落等缺陷，甚至產(chǎn)生微裂縫，從而導(dǎo)致其性能下降，使用壽命縮短[6]。而納米石墨因其優(yōu)良特性，有望作為新型摻合料以改善混凝土性能。國(guó)際上對(duì)于納米石墨的研究早已開(kāi)始，但將其運(yùn)用于水泥基材料中的研究卻鮮有報(bào)道。為此，本文對(duì)納米石墨摻入水泥砂漿中其對(duì)水泥砂漿流動(dòng)性及力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究，以探討納米石墨在砂漿中改性應(yīng)用的可行性。

1試驗(yàn)準(zhǔn)備

納米石墨是弱極性粉體，若不做任何處理直接摻入水泥砂漿中，則其高的表面活性使得納米石墨在水泥的極性水環(huán)境中分散效果較差，穩(wěn)定性差且容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。有研究指出，若直接將納米石墨與液體介質(zhì)混合使用，則納米石墨分散液分散穩(wěn)定性差，會(huì)使整個(gè)體系性能下降[7]。因此，為使復(fù)合材料獲得良好的性能，必須對(duì)納米石墨進(jìn)行表面修飾，修飾方法分為物理修飾和化學(xué)修飾[8]。本文采用超聲分散方法，先將表面活性劑與納米石墨在去離子水中預(yù)先混合分散，然后將分散均勻的納米石墨溶液加入到水泥砂漿中，使納米石墨盡可能均勻分布于水泥砂漿試件中，進(jìn)而研究納米石墨水泥砂漿復(fù)合材料的性能。

1.1試驗(yàn)材料

納米石墨：青島石墨公司生產(chǎn)。

表面活性劑(曲拉通X-100)：成都市科龍化工試劑廠生產(chǎn)。

42.5R 級(jí)普通硅酸鹽水泥：重慶小南海水泥廠生產(chǎn)。

中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂：重慶標(biāo)準(zhǔn)砂公司生產(chǎn)。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

按照J(rèn)TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》等規(guī)定選擇水泥砂漿制備、養(yǎng)護(hù)及性能測(cè)試主要實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備，包括：砂漿攪拌機(jī)、三聯(lián)模、振實(shí)臺(tái)、水泥(混凝土)恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱、跳桌、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)。

2試驗(yàn)步驟

2.1納米石墨水相混合液制備

試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置3組納米石墨摻量，分別為0.3%、0.6%、1%。選用的分散劑為表面活性劑曲拉通X-100，設(shè)置分散劑的摻量為納米石墨的4%。分散納米石墨時(shí)，先將曲拉通X-100加入30 mL水中，配制成溶液；然后將納米石墨加入到曲拉通X-100溶液中，并用超聲清洗處理器超聲震蕩30 min，待納米石墨分散均勻后取出備用。

2.2試件制備及養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)時(shí)，采用基準(zhǔn)砂漿試件與納米石墨水泥砂漿多組對(duì)照方式，來(lái)分析納米石墨對(duì)水泥砂漿的作用。成型方法嚴(yán)格按照J(rèn)TG E30—2005的規(guī)定進(jìn)行。確定采用的基準(zhǔn)水泥砂漿試件灰砂比為1∶3，水灰比為0.5；納米石墨水泥砂漿復(fù)合材料的制備，先將納米石墨與表面活性劑曲拉通X-100溶液用超聲進(jìn)行分散，得到的納米石墨混合液以等比例替換拌和用水，然后進(jìn)行納米石墨水泥砂漿復(fù)合材料的制備及養(yǎng)護(hù)，其灰砂比與水灰比與基準(zhǔn)砂漿相同，以控制同一試驗(yàn)條件。本次試驗(yàn)中，納米石墨水泥砂漿試件共制備3組，納米石墨摻量分別為0.3%、0.6%、1%。

所有水泥砂漿的試件養(yǎng)護(hù)均嚴(yán)格按照J(rèn)TG E30—2005規(guī)定進(jìn)行。脫模后，將其置于溫度為(20±2) ℃、濕度大于90%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)。

3性能測(cè)試及結(jié)果分析

3.1水泥砂漿性能測(cè)試

本次試驗(yàn)中，水泥砂漿性能測(cè)試主要是流動(dòng)度及力學(xué)性能的測(cè)試。

水泥砂漿流動(dòng)度依據(jù)JTG E30—2005中水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法，采用跳桌法測(cè)定。

水泥砂漿力學(xué)性能依據(jù)JTG E30—2005中水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)測(cè)定，且分別測(cè)定4組水泥砂漿試件14 d及28 d齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

3.2測(cè)試結(jié)果分析

3.2.1流動(dòng)度結(jié)果分析

按照規(guī)范要求分別測(cè)定基準(zhǔn)水泥砂漿(未摻納米石墨的水泥砂漿)，以及納米石墨摻量分別為0.3%、0.6%、1%的3組納米石墨水泥砂漿的流動(dòng)度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　水泥砂漿流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果

分析表1數(shù)據(jù)可知，摻加納米石墨分散液的水泥砂漿流動(dòng)度低于基準(zhǔn)水泥砂漿，A1、A2、A3與A0相比，流動(dòng)度分別降低了14.8%、15.8%、19.6%，且隨著納米石墨摻量增加，水泥砂漿流動(dòng)度數(shù)值呈遞減趨勢(shì)。分析其主要原因，可能是由納米石墨巨大的比表面積所致。因?yàn)榧{米石墨巨大的比表面積需要吸附大量的極性分子以保持平衡，降低其表面張力，因此在砂漿體系中，納米石墨吸附了大量拌和用水，致使參與砂漿拌和凝結(jié)的水有所減少，砂漿稠度增大，從而其流動(dòng)度較未摻納米石墨的水泥砂漿也有所降低。摻加納米石墨越多，水泥砂漿需要吸附的拌和用水就越多，故隨著納米石墨摻量增加，水泥砂漿的流動(dòng)性便呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)。

3.2.2力學(xué)性能結(jié)果分析

按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)分別測(cè)定基準(zhǔn)水泥砂漿，以及納米石墨摻量分別為0.3%、0.6%、1%的3組納米石墨水泥砂漿的抗折及抗壓強(qiáng)度。每個(gè)摻量的納米石墨水泥砂漿抗折強(qiáng)度取1組試件3個(gè)試塊的抗折強(qiáng)度平均值，抗壓強(qiáng)度取抗折試驗(yàn)結(jié)束后的6個(gè)試塊的抗壓強(qiáng)度平均值，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2、表3及圖1、圖2。

表2　水泥砂漿抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

表3　水泥砂漿抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖1　水泥砂漿抗折強(qiáng)度折線

由表1、表2數(shù)據(jù)和圖1、圖2可知，加入納米石墨的水泥砂漿，其14 d、28 d齡期的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)砂漿均有所提升，相較于28 d齡期的強(qiáng)度，14 d齡期的強(qiáng)度增加較為明顯，漲幅較大。分析其原因，主要有如下2方面。

1)可能是由納米石墨填充效應(yīng)所致。有研究指出，水泥本身的顆粒粒徑通常在7～200 μm[9]。因此，納米石墨顆粒的粒徑遠(yuǎn)比水泥顆粒小，在水泥體系中主要分布于水泥顆粒之間且起填充作用。水泥硬化體系是一個(gè)多相多孔的系統(tǒng)，是由水泥水化產(chǎn)生的硅酸鈣凝膠、鈣釩石、氫氧化鈣等水化產(chǎn)物，以及未參與水化反應(yīng)的拌和水及一定體積的毛細(xì)孔、膠凝孔和氣泡組成[10]。水化產(chǎn)物填充較大孔隙卻不足以填充砂漿內(nèi)部大量的微小孔隙，而納米石墨作為納米級(jí)粉體，其摻入砂漿中能夠很好地填充于水泥水化產(chǎn)物之間的孔隙，且能夠吸附大粒子C-S-H凝膠，使整體上孔隙數(shù)量減少，孔隙粒徑變小，從而使水泥砂漿結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。

圖2　水泥砂漿抗壓強(qiáng)度折線

2) 納米石墨的加入能夠促進(jìn)水泥的水化進(jìn)程。研究發(fā)現(xiàn)，在水化進(jìn)程早期，納米石墨的加入能夠促進(jìn)硅酸三鈣、鋁酸三鈣等熟料的水化，其摻量越大，效果就越明顯。另外，納米石墨能夠使水泥砂漿中的氫氧化鈣晶體細(xì)化，使氫氧化鈣結(jié)晶趨于雜亂，其對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度的提升有利。但水化后期，水泥熟料的水化較為完全，水泥石的微觀結(jié)構(gòu)更為致密，納米石墨的作用就不怎么明顯。因此，納米石墨水泥砂漿的早期強(qiáng)度較基準(zhǔn)水泥砂漿提升較大。

4結(jié)論

1) 納米石墨加入水泥砂漿中，可使水泥漿體流動(dòng)性降低。原因在于納米石墨具有巨大的比表面積，需吸附大量水分才能降低其表面能，從而導(dǎo)致參與水泥水化的拌和用水大大減少，最終導(dǎo)致砂漿流動(dòng)性降低。

2) 納米石墨的加入能有效提升水泥砂漿的力學(xué)性能。其主要原因在于納米石墨的填充作用。作為納米級(jí)微細(xì)粉體，納米石墨能有效填充水泥砂漿中的毛細(xì)孔及凝膠孔，使孔隙率大大減小，孔隙粒徑變小，水泥結(jié)構(gòu)更為致密，對(duì)水泥砂漿起到了增強(qiáng)增韌的效果。

3) 納米石墨摻入水泥砂漿中能促進(jìn)水化反應(yīng)，加快水化反應(yīng)進(jìn)程，尤其是水化反應(yīng)早期。另外，納米石墨能有效抑制氫氧化鈣晶體的生長(zhǎng)，可使氫氧化鈣結(jié)晶趨于雜化，因此摻加納米石墨后，水泥砂漿早期強(qiáng)度提升較多。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張立德，牟季美．納米材料學(xué)[M]．沈陽(yáng)：遼寧科技出版社，1994.

[2]董文哲．納米石墨微片及其聚乙烯納米復(fù)合材料的制備與性能研究[D]．哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2014．

[3]馬宇娟．氧化石墨烯的制備及其對(duì)水泥基材料和丙烯酸樹(shù)脂涂飾劑的增強(qiáng)增韌作用[D]．西安：陜西科技大學(xué)，2014．

[4]徐慶磊．納米二氧化硅對(duì)水泥基材料性能的影響及作用機(jī)理研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013．

[5]徐世烺．納米材料增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料初探[D].大連：大連理工大學(xué)，2012．

[6]孟睿覃．不同溫度下納米SiO2 對(duì)PMC 材料性能和微結(jié)構(gòu)的影響研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，2014．

[7]陳強(qiáng)，王宗廷，劉煜，等．納米石墨在液態(tài)介質(zhì)中分散行為的研究進(jìn)展[J]．化學(xué)時(shí)刊，2010，24(1)，62-65．

[8]陳翔峰，陳國(guó)華，吳大軍，等．聚合物/石墨納米復(fù)合材料研究進(jìn)展[J]．高分子通報(bào)，2004(4)：39-46．

[9]杜濤．氧化石墨烯水泥基復(fù)合材料性能研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014．

[10]申愛(ài)琴．水泥與水泥混凝土[M]．北京：人民交通出版社，2004.

Influences of Nano-graphite on Properties of Cement Mortar

HE Xiaoqin

Abstract:This paper studies influences of nano-graphite as additive on mobility and mechanical properties of cement mortar. In the test, the paper performs dispersity of aqueous phase to nano-graphite via dispersant triton X-100 first and adds the evenly dispersed nano-graphite mixed fluid in the mode of substituting mixing water at equal proportion, and then compares performance of cement mortar with or without admixture of nano-graphite in comparison. The test results show that admixture of nano-graphite will reduce mobility of cement mortar, but mechanical properties can be improved obviously; With the increase of the content of nano-graphite, the strength of cement mortar is enhanced more significantly.

Keywords:nano-graphite; cement mortar; mobility; mechanical property

文章編號(hào)：1009-6477(2016)02-0025-04

中圖分類號(hào)：U414

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：何曉琴(1970-)，女， 重慶市人，本科，高工。

收稿日期：2015-11-17

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.006