氧化石墨烯改性水泥基材料研究綜述

摘 要：氧化石墨烯（Graphene Oxide，簡(jiǎn)稱GO）是石墨烯的衍生物，因其上官能團(tuán)增多而具備更為活潑的性質(zhì)。水泥基材料作為目前使用范圍最廣的建筑材料，其性能的優(yōu)化一直是研究者們關(guān)注的重點(diǎn)。而GO為一種特殊的納米材料，因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于水泥基材料的改性研究中。這些研究主要集中在GO的制備、分散及其在水泥基材料中的應(yīng)用效果等方面。這種新型復(fù)合材料不僅克服傳統(tǒng)水泥基材料的一些固有缺陷，在力學(xué)、耐久性等方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：氧化石墨烯；水泥基；力學(xué)特性；微觀機(jī)理；納米材料

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）31-0075-05

Abstract： Graphene Oxide （GO） is a derivative of graphene， which has more reactive properties due to the increased number of functional groups on it. As the most widely used building material at present， the optimization of its performance has always been the focus of researchers. GO is a special nanomaterial. Due to its unique physical and chemical properties， it is widely used in the modification of cement-based materials. These studies mainly focus on the preparation， dispersion and application effect of GO in cement-based materials. This new composite material not only overcomes some inherent defects of traditional cement-based materials， but also shows significant advantages in terms of mechanics and durability.

Keywords： graphene oxide; cement-based; mechanical properties; microscopic mechanism; nanomaterials

隨著科技的不斷發(fā)展和人類對(duì)建筑材料性能要求的提高，傳統(tǒng)水泥材料在某些方面已經(jīng)無(wú)法滿足工程實(shí)際需求。因此，尋找一種能夠改善水泥基材料性能的新型材料成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。氧化石墨烯（GO）作為一種新興的納米材料，具有許多獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如優(yōu)異的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性等[1]。這些優(yōu)異的性能使得氧化石墨烯成為了改善水泥基材料性能的理想候選材料之一。

如今，人們對(duì)納米材料的基本認(rèn)知也越發(fā)清晰，氧化石墨烯（GO）改性水泥基材料是近年來(lái)備受研究關(guān)注的一種新型復(fù)合材料，氧化石墨烯與水泥基材料進(jìn)行復(fù)合改性，可以顯著提高水泥基材料的力學(xué)性能、耐久性和抗?jié)B性[2]，從而滿足建筑工程對(duì)材料性能的更高要求。其已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的修復(fù)與加固、防水與防腐以及環(huán)境污染治理等領(lǐng)域。其中，利用其改性水泥基材料的研究已在土木水利工程領(lǐng)域取得較大進(jìn)展，如注漿加固、防滲處理等。這些應(yīng)用證明了氧化石墨烯改性水泥基材料在實(shí)際工程中的可行性和有效性。但氧化石墨烯改性水泥基材料的研究仍面臨著一些挑戰(zhàn)和問(wèn)題。例如，如何進(jìn)一步提高氧化石墨烯在水泥基材料中的分散性和穩(wěn)定性，以及如何降低其生產(chǎn)成本等，這些問(wèn)題的解決將有助于推動(dòng)氧化石墨烯在水泥基材料改性領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。

本文將對(duì)氧化石墨烯改性水泥基材料的研究進(jìn)行全面梳理和分析，旨在為科研工作者提供一個(gè)全面了解氧化石墨烯改性水泥基材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的平臺(tái)，為今后的研究和應(yīng)用提供參考和借鑒，推動(dòng)該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和壯大。

1 氧化石墨烯改性水泥基的力學(xué)特性

力學(xué)性能是水泥基材料的基本性能之一，而摻入氧化石墨烯對(duì)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能有著顯著的影響。傳統(tǒng)的水泥基材料常常存在易開裂、韌性差、強(qiáng)度低等問(wèn)題，而氧化石墨烯的加入可以顯著地改善這些缺陷。普遍的實(shí)驗(yàn)觀點(diǎn)表明，適量的氧化石墨烯摻入能夠顯著提高水泥基材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)。氧化石墨烯的引入可以有效地促進(jìn)水泥顆粒之間的緊密結(jié)合，填充微孔和裂縫，從而增強(qiáng)了水泥基材料的整體強(qiáng)度和耐久性。此外，氧化石墨烯還能夠改善材料的韌性，提高其抗裂性能，延長(zhǎng)使用壽命。

氧化石墨烯（GO）納米層表面富含許多親水性官能團(tuán)，使得GO在水中具有良好的分散性能。由于其低成本和廣泛適用性，GO被認(rèn)為是改性碳纖維水泥基復(fù)合材料的理想選擇[3]。添加氧化石墨烯后，其納米層上的含氧官能團(tuán)能夠與水分子形成氫鍵，有助于促進(jìn)氧化石墨烯在水中的均勻分散。這導(dǎo)致原本不規(guī)則的大體積水化產(chǎn)物逐漸細(xì)化，分布和排列更加均勻，從而使得硬化漿體的結(jié)構(gòu)更加致密，進(jìn)而增強(qiáng)了水泥基體的強(qiáng)度。

表1為不同研究者研究氧化石墨烯的不同摻量對(duì)水泥基材料抗壓和抗折性能影響。值得注意的是，氧化石墨烯的改性效果與其摻入量、分散性以及與水泥基材料的相互作用等因素密切相關(guān)，適量的摻入量和良好的分散性能夠充分發(fā)揮氧化石墨烯的改性效果，而過(guò)多的摻入量還可能會(huì)導(dǎo)致材料的性能下降。GO和碳纖維對(duì)水泥基材料的增強(qiáng)效果能夠相互補(bǔ)充[11]。因此，針對(duì)GO改性碳纖維，進(jìn)行了改性水泥基材料的實(shí)驗(yàn)。將經(jīng)過(guò)兩種物質(zhì)改性的水泥基材料與單獨(dú)GO摻量的水泥基材料的強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比。圖1顯示混合GO和碳纖維的水泥基復(fù)合材料的抗壓和抗拉強(qiáng)度均有所提高。

2 氧化石墨烯改性水泥基的耐久性

隨著工程建筑行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展，如超高層建筑、跨海大橋和港口等建筑設(shè)施的涌現(xiàn)，對(duì)混凝土材料的性能和質(zhì)量提出了更嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的普通混凝土雖然具有一定的耐用性和設(shè)計(jì)靈活性，但其存在著脆性大、韌性不足、彎拉強(qiáng)度小等缺點(diǎn)。這些缺陷在現(xiàn)代大型工程中可能導(dǎo)致安全隱患和使用壽命的縮短，因此需要尋求更具優(yōu)越性能的建筑材料來(lái)滿足挑戰(zhàn)性的工程需求。氧化石墨烯改性水泥基材料的出現(xiàn)為解決這一難題提供了新的思路。相比傳統(tǒng)混凝土，氧化石墨烯改性水泥基材料具有更高的強(qiáng)度、更優(yōu)異的韌性以及更好的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。其強(qiáng)化效果可以顯著提高混凝土材料的力學(xué)性能，使其能夠承受更大的荷載和外部環(huán)境的影響，從而增強(qiáng)了工程結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。在超高層建筑等大型工程中，材料的耐久性是至關(guān)重要的。由于氧化石墨烯改性水泥基材料具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，可以有效地減少溫度差異和應(yīng)力集中，降低了材料在極端環(huán)境下的受損風(fēng)險(xiǎn)。此外，其良好的耐磨性和耐腐蝕性也使其在海岸線建筑、港口工程等特殊環(huán)境中表現(xiàn)出色。

如今，已有大量學(xué)者對(duì)氧化石墨烯的耐久性進(jìn)行了研究。王雪楓等[12]人通過(guò)電泳沉積法，制備了GO-CF雜化纖維，并研究了GO、CF以及GO-CF水泥基復(fù)合材料的抗凍性能。試驗(yàn)表明，摻入GO可以有效改善了水泥砂漿試件的抗凍性能，其中0.07%的摻量表現(xiàn)最佳。在不同凍融循環(huán)下，試件的抗壓強(qiáng)度有所下降，但GO-CF水泥砂漿試件的強(qiáng)度損失率明顯低于CF水泥砂漿試件。因此，使用氧化石墨烯改善碳纖維表面性能可提升碳纖維水泥基復(fù)合材料的抗凍性。雷斌等[13]進(jìn)行了關(guān)于氧化石墨烯摻量對(duì)再生混凝土抗凍性能的研究。他們發(fā)現(xiàn)隨著氧化石墨烯摻量的增加，再生混凝土的抗凍性呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)氧化石墨烯摻量為0.06%時(shí)，再生混凝土的抗凍性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

此外，氧化石墨烯的加入還可以降低混凝土的滲透率，并增強(qiáng)混凝土的耐久性。根據(jù)Hassani等[14]的研究，氧化石墨烯有助于促進(jìn)水泥C-S-H水化產(chǎn)物的生長(zhǎng)，并且與水泥基體結(jié)合良好，顯著降低了水泥基體的滲透性。Mohammed等[15]的研究表明，向水泥砂漿中添加少量的氧化石墨烯（0.01%）可以有效阻止氯離子的滲透，因?yàn)檠趸┑奶厥鈱訝罱Y(jié)構(gòu)能夠在水泥基體中形成類似“海綿結(jié)構(gòu)”的三維形態(tài)，從而有效地捕獲氯離子。李相國(guó)等[16]采用復(fù)合摻入氧化石墨烯和聚乙烯醇（PVA）纖維的方法，提高了水泥基材料的抗?jié)B性能，氯離子的擴(kuò)散系數(shù)可達(dá)3.4×10-12 m2/s。楊雅玲等[17]將試樣放入復(fù)合鹽溶液中長(zhǎng)期浸泡后的能譜圖與元素含量表如圖2所示，且將圖2（a）與圖2（b）進(jìn)行對(duì)比，氧化石墨烯改性的水泥砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)含有大量的C-S-H凝膠，能顯著提高水泥砂漿的耐腐蝕性能。

3 氧化石墨烯改性水泥基材料的微觀機(jī)理

根據(jù)微觀作用機(jī)理，氧化石墨烯對(duì)水泥基材料的改性主要表現(xiàn)在其能夠改變水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而改善水泥基材料的性能[18]。具體而言，氧化石墨烯的添加可以促進(jìn)水泥顆粒之間的緊密結(jié)合，填充水泥基材料中的微孔和裂縫，從而提高其密實(shí)性和抗?jié)B性。此外，氧化石墨烯還能夠增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能，如提高抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，延長(zhǎng)材料的使用壽命。

呂生華等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，添加氧化石墨烯能夠有效促進(jìn)水泥水化產(chǎn)物的生成，并調(diào)節(jié)水化產(chǎn)物呈現(xiàn)為規(guī)整的花狀結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特形態(tài)對(duì)水泥的微觀結(jié)構(gòu)起到致密化作用，有助于提升水泥基材料的功能特性。

程思嫄等[20]人通過(guò)XRD、紅外光譜、微觀形貌測(cè)試等手段，在水泥基注漿材料中摻入不同摻雜量（0.02%、0.04%、0.06%）的氧化石墨烯。測(cè)試結(jié)果表明，摻雜氧化石墨烯的試驗(yàn)組力學(xué)性能高于未摻雜氧化石墨烯的對(duì)照組。且摻雜量超過(guò)0.06%時(shí)，改性材料的各階段抗壓強(qiáng)度開始逐漸下降，過(guò)高的GO摻量會(huì)導(dǎo)致水化產(chǎn)物尺寸不均勻，產(chǎn)生局部團(tuán)聚，不利于應(yīng)力傳遞。

董健苗等[21]運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)構(gòu)建了氧化石墨烯分子結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)一步優(yōu)化了GO/CH界面結(jié)構(gòu)模型，模擬出了水化反應(yīng)時(shí)GO的成核效應(yīng)。測(cè)試結(jié)果表明，氧化石墨烯能有效減少水泥基材料內(nèi)部的孔隙，提升水泥基材料的力學(xué)性能。

Lv等[22]通過(guò)吸附試驗(yàn)和微觀形貌表征相結(jié)合的方法研究了GO與鈣質(zhì)砂的相互作用。吸附材料的形貌和結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中顯示鈣質(zhì)砂呈針狀和板狀晶粒，其表面和內(nèi)部有許多空腔，有利于其對(duì)GO的吸附。

4 結(jié)論

綜上所述，氧化石墨烯作為一種獨(dú)特的碳納米材料，在材料改性方面具有廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)優(yōu)化其摻入量和分散性等參數(shù)，進(jìn)一步提升現(xiàn)實(shí)狀態(tài)下水泥基材料的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及抗彎強(qiáng)度等關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)。同時(shí)，改善水泥基材料的界面過(guò)渡區(qū)，減少氣孔和微裂紋的形成，從而提高其耐久性和使用壽命。未來(lái)，氧化石墨烯改性水泥基材料有望應(yīng)用于更多領(lǐng)域，如高層建筑、橋梁、隧道等重要工程結(jié)構(gòu)。GO水泥基材料將不僅僅作為一種結(jié)構(gòu)性的材料，更有望被賦予功能屬性，如自動(dòng)公路引導(dǎo)、交通管控等。同時(shí)，隨著綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展的理念深入人心，這種環(huán)保且性能優(yōu)異的新型材料將受到更多關(guān)注。目前的研究尚未實(shí)現(xiàn)GO的高效率分散。對(duì)于GO分散的方法需要更加精細(xì)的研究，以實(shí)現(xiàn)高效、大規(guī)模、高質(zhì)量的GO分散。這將推動(dòng)GO水泥基復(fù)合材料在實(shí)際生活中的應(yīng)用和生產(chǎn)?？傊?，氧化石墨烯改性水泥基材料的研究和應(yīng)用具有廣闊的前景和潛力。隨著科技的進(jìn)步和研究的深入，這種新型材料將在未來(lái)發(fā)揮更加重要的作用，為建筑、道路等工程領(lǐng)域提供更為可靠和高效的解決方案。

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