石墨烯的分散性及其水泥基复合材料的耐久性

摘要

石墨烯是一种二维碳纳米材料，其发现使得碳纳米家族更加完善。对石墨烯复合材料的研究是近几年纳米材料领域的热点之一，石墨烯的分散性是其在复合材料领域应用的基础。本文运用探头超声仪和表面活性剂技术相结合，研究了四种不同表面活性剂对石墨烯最佳分散浓度和条件。并将分散均匀的石墨烯悬浮液掺入到水泥基复合材料中，研究了石墨烯水泥基复合材料的抗氯离子渗透性和硫酸盐侵蚀性。并将宏观实验与微观测试技术相结合探讨了石墨烯对水泥基复合材料抗氯离子渗透和硫酸盐侵蚀性的影响机理。结论如下： （1）研究了多种分散剂单掺和复掺时对石墨烯分散性的影响。结果表明CTAB和CO890所修饰的石墨烯分散液的黑度分布均匀且黑度高，对石墨烯的分散效果较好。石墨烯分散液可以在24小时内保持稳定不发生分层。复掺时PVP+CTAB对石墨烯的分散效果最好，与PVP和CTAB单掺相比，其分散效果比分散剂PVP单掺分散效果好，但却低于CTAB单掺对石墨烯的分散效果。 （2）研究了石墨烯对水泥基复合材料耐久性的影响。结果表明石墨烯的掺入可以提高水泥基复合材料的抗氯离子渗透性和硫酸盐侵蚀性。同一水灰比下随着石墨烯掺量的增加氯离子扩散深度与迁移系数呈先降低后升高的趋势。在水灰比为0.25、0.30和0.35时，石墨烯的最佳掺量分别为0.02%、0.02%和0.10%，此时水泥净浆的氯离子迁移系数达到最小值，相对与空白试件的氯离子迁移系数分别降低了5.63%、42%、37%。对于水灰比不同的水泥净浆试件，氯离子扩散系数和渗透深度随着水灰比的增大有增大的趋势。当石墨烯掺量为0.05%时，石墨烯水泥砂浆的抗压强度耐蚀系数最好，呈现先增加后减少的趋势，且在整个侵蚀龄期，砂浆试件的耐蚀系数都在1.0左右；研究还发现石墨烯掺量对试件抗硫酸盐侵蚀性的影响超过了水灰比对水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀性的影响，理论上可以弥补由于水灰比所带来的负面影响。 （3）研究了石墨烯对水泥基体的微观作用机理。TG/DTG、XRD、FE-SEM和MIP等微观测试结果分析表明石墨烯的加入能促进水泥水化，细化基体的孔隙，降低孔隙率，增加基体密实度，改善基体的抗渗性；当基体发生侵蚀时石墨烯的包裹效应以及桥联效应能够阻止离子的迁移与扩散；石墨烯的桥联作用，能阻止裂缝的贯通，降低基体内部联通通道数量以及微裂缝的发展；此外石墨烯对内部的微裂纹还具有偏转作用。

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