不同超声功率下氧化石墨烯改性水泥净浆的力学性能研究.pdf

第 23 卷 第 4 期 中 国 水 运 Vol.23 No.4 2023 年 4 月 China Water Transport April 2023 收稿日期：2022-10-13 作者简介：孙庆玲，上海理工大学 环境与建筑学院。不同超声功率下氧化石墨烯改性水泥净浆的力学性能研究 孙庆玲（上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093）摘 要：文中研究了不同超声功率的氧化石墨烯在去离子水体系中的分散性及其对水泥净浆的工作性能和抗压抗折性能的影响。实验结果表明，超声功率为 400w 时的氧化石墨烯在去离子水体系中的分散性最好。氧化石墨烯的分散性对水泥净浆的工作性能及抗折性能影响较为明显，氧化石墨烯对水泥净浆抗压强度的提升效果在 7d 时最为显著。关键词：净浆；力学性能；超声功率 中图分类号：U214 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2023）04-0143-03 建筑结构正向着大跨，超高的方向发展1，这对水泥基材料的性能提出了更高的要求。通常采用添加外加剂、降低水灰比等方法提高水泥基材料的强度。纳米材料具有体积小，比表面积大，表面能高的特点2。与传统增强方法相比，纳米材料可从纳米尺度上控制水泥基体的微裂缝的生长发展，同时调节水泥水化产物的聚集状态，使其更规则、更致密2。二维纳米材料氧化石墨烯（GO），其表面和边缘具有大量的含氧官能团（羟基-OH、羧基-COOH、羰基-C=O），具有良好的亲水性及界面结合力，二维网状结构使其具有更高的比表面能3。GO 可以显著提升水泥浆体的强度4，但 GO在水泥浆中容易产生团聚效应，GO 的团聚使水泥基体内部产生缺陷和薄弱区，影响水泥基体的强度的提高5。在碱性环境中，导致 GO 在水泥浆体中立即聚集的主要因素是 Ca2+的络合作用6，为了充分发挥 GO 对水泥浆体的增强作用，提高 GO 的分散性显得尤为重要。目前广泛使用的制备 GO 分散液的方法是超声加物理表面活性剂辅助。超声能量的大小对 GO 的分散性具有显著的影响，当超声能量达到一定值时，GO 在溶液中的分散达到平台期7。在超声能量相同的情况下，时间控制和功率控制的超声处理有不同的强化效果，在达到分散平台之后，超声时间的延长对分散程度影响不大，但超声功率过大导致分散程度恶化8。超声时间对水泥基材料的力学性能有较大的影响9，超过最佳超声时间，水泥基材料的力学性能将会降低10。以此为基础，文中通过改变超声功率，研究不同超声功率下的浓度为水泥质量0.02wt%的GO溶液分散性和GO改性水泥净浆的工作性能、抗压抗折强度，以此来分析 GO 的分散性对水泥净浆的工作性能及抗压抗折性能的影响。一、实验部分 1材料性质 水泥为抚顺澳塞尔科技有限责任公司的 PI 42.5 基准水泥，主要化学成分含量见表 1，GO 粉末采用苏州碳丰石墨烯科技有限公司的多层氧化石墨烯，物理性质见表 2。减水剂采用上海钦和化工有限公司的粉末状聚羧酸高效减水剂（SP），减水率23%。表 1 水泥化学成分（%）SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2Oeq f-CaO Loss CL-20.96 4.13 3.03 62.32 2.90 2.38 0.56 0.85 2.14 0.026 表 2 GO 物理性质 纯度 厚度/nm 横向尺寸/m 层数 比表面积/m2/g 外观颜色 95wt%3.4-7 10-50 6-10 100-300 深棕色粉末 2GO 分散液制备 将 SP 与去离子水混合，然后加入有 GO 粉末的玻璃瓶中，得到浓度为 4mg/mL 的 GOSP 悬浮液，通过改变超声功率（120w、400w、600w）对 GOSP 悬浮液超声 1.5h，得到 GOSP 分散液。3GO 分散性表征 将制备好的 GOSP 溶液用去离子水稀释 50 倍，用离心机以 5,000rpm 的速率对待测液离心 3min，取用上清夜，用紫外分光光度仪测得在波长 230nm 处的吸光度，以表征GO 在去离子水中的的分散性。4GO 改性水泥净浆的制备 按照 GB/T 1346-201112要求，先将水泥放入搅拌锅中，进行低速搅拌 30s，用所需用量的 80%的去离子水稀释GOSP 溶液，取一半稀释液于 30s 内加入搅拌锅中，低速搅拌 60s；再取另一半稀释液加入搅拌锅中，并将余下 20%的去离子水倒入搅拌锅中，过程用时 30s，低速搅拌 60s；暂停 15s，再高速搅拌 60s。整个过程历时 285s。然后用刮刀将叶片上的水泥刮下，将拌好的水泥放入 40mm40mm160mm 的模具中。水泥净浆的配合比见表 4。试样置于温度为（202），相对湿度90%的水泥标准养护箱中养护，24 h 后脱模，脱模后继续在此条件下养护。5工作性能试验 根据混凝土外加剂匀质性试验方法11（GB/T8077-144 中 国 水 运 第 23 卷 2000）及水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性12（GB/T 1346-2011）对水泥净浆进行流动度和凝结时间试验。6抗压抗折试验 根据水泥试验方法强度测定13（GB17671-1999）浇筑 40mm40mm160mm 的试块，分别养护 3、7 以及 28d 进行抗压、抗折试验。表 3 水泥净浆配合比 编号 水泥/g 水/g 水灰比 MGO 掺量/%MGO/mg SP/mg 功率/w G0 1,200 480 0.4-600-G2-120 1,200 480 0.4 0.02 240 600 120 G2-400 1,200 480 0.4 0.02 240 600 400 G2-600 1,200 480 0.4 0.02 240 600 600 二、结果与讨论 1GO 分散液的分散性试验 GO 在去离子水体系中的吸光度值的试验结果如表 4 所示。在去离子水体系中不同超声功率下的 GO 吸光度值如图1 所示。随着超声功率的增大，GO 在去离子水中的吸光度值先增大后减小，G2-400，G2-600 在刚结束超声时的吸光度值对比 G2-120 提升了 145%、49%，这说明适当的超声功率可以提高 GO 在去离子水体系中的分散性，而过度的超声能量输入，使得 GO的片层出现了更多的结构缺陷，对 GO在去离子水体系中的分散性产生了抑制作用。随着静置时间的增大，GO 在去离子水体系中的吸光度值逐渐减小，这说明超声只能暂时提高 GO 在去离子水中的分散性。表 4 GO 在去离子水体系中的吸光度值的试验结果 静置时间（h）0 2 4 6 G2-120 0.101 0.080 0.063 0.057 G2-400 0.248 0.221 0.181 0.151 G2-600 0.151 0.146 0.142 0.110 图 1 去离子体系中不同超声功率下 GO 的吸光度值 2工作性能试验 不同超声功率下 GO 改性水泥净浆的工作性能的试验结果如表 5 所示。不同超声功率下 GO 改性水泥净浆的流动性和凝结时间如图 2 所示。GO 对水泥净浆的流动性有明显的抑制作用，随着超声功率的增大这种抑制作用先增后减，当超声功率为 400w 时流动性降低了 9%，功率达到 600w 时对流动性的抑制作用明显减弱，这可能是因为功率过高，导致 GO 内部缺陷过多，使其比表面能降低，对水分子的吸附能力减弱所致14。GO 改性水泥净浆的凝结时间随着超声功率的增大先减后增，这与流动性恰巧相反，在超声功率为400w 时 GO 吸附了较多的水分子，这些水分子被 GO 的二维网状结构包裹起来，水分子的缺失使水泥基体的水化速率减弱，从而导致了凝结时间的增加。图 5 不同超声功率下 GO 改性水泥净浆的工作性能的试验结果 G0 G2-120 G2-400 G2-600 流动性（mm）169 155.5（-8%）154（-9%）167（-1%）初凝（min）250 233（-7%）262（5%）230（-8%）终凝（min）354 336（-5%）372（5%）331（-6%）图 2 GO 不同超声功率下 GO 改性水泥净浆的流动性和凝结时间 3抗压抗折试验 不同超声功率下 GO 改性水泥净浆的抗压抗折强度的试验结果如表 6 所示。不同超声功率下 GO 改性水泥净浆的抗压抗折强度如图 3 所示。添加 GO 对水泥净浆的早期抗压抗折强度的增强作用较为明显。随着超声功率的增大，抗折强度先升后降，抗折强度在 3、7 和 28d 龄期时最高提升 11%、14%和 9%，当超声功率为 600w 时，抗折强度较对照组略有下降，由此可知，超声功率过大，会劣化水泥净浆的抗折强度。随着超声功率的增大，抗压强度先升后降，抗压强度在 3、7 和 28d 龄期时最高提升 6%、12%和 4%，超声功率为 120w 时，3d 的抗压强度较对照组降低了 1%，7d 的抗压强度迅速升高，较对照组提升了 12%，超声功率为 600w 时，对水泥净浆的抗压强度在 7d 时提升了 12%。由此可以看出，GO 的分散程度对抗折强度的影响更加明显。表 6 不同超声功率下 GO 改性水泥净浆的抗压抗折强度 抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 3d 7d 28d 3d 7d 28d G0 11.49 11.65 12.32 32.36 38.21 44.53 G2-120 12.19（6%）12.38（6%）13.01（6%）32.01（-1%）42.71（12%）45.80（3%）G2-400 12.73（11%）13.29（14%）13.41（9%）34.20（6%）42.00（10%）46.30（4%）G2-600 11.48（0%）11.65（0%）11.98（-3%）33.97（5%）42.96（12%）46.28（4%）第 4 期 孙庆玲：不同超声功率下氧化石墨烯改性水泥净浆的力学性能研究 145 图 3 GO 不同超声功率下 GO 改性水泥净浆的抗压抗折强度 三、结论 文中讨论了不同超声功率下的 GO 在去离子水体系中的分散性及其对水泥净浆的工作性能和抗压抗折性能产生的影响，并得出以下结论：（1）超声功率的增大对 GO 在去离子水体系中的分散性有促进作用，400w 时分散性最好，600w 时分散性略有减弱。（2）超声功率为 400w 的 GO 分散液对水泥净浆的工作性能的抑制作用明显，流动度降低 9%，凝结时间增长 5%，而超声功率为 600w 时流动性略有降低 1%，且凝结时间减少 6%。（3）水泥净浆的抗折强度对 GO 的敏感度更高，超声功率为 600w 时，抗折强度在 28d 降低了 3%，水泥净浆的抗压强度对 GO 的分散性的敏感度不大，在 7d 龄期时，GO对水泥净浆的抗压强度的增强效果更加明显。参考文献 1 郁坤.大跨度建筑结构的形式与设计研究J.科技与企业.2014，09：231.2 Ou.J.Nano-core effect in nano-engineered cementitious compositesJ.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2017，（95）：100-109.3 邵桂林.氧化石墨烯的制备与表征D.上海：东华大学，2012.4 Zhou.Q.Use of graphene oxide nanosheets to regulate the microstructure of hardened cement paste to increase its strength and toughnessJ.Crystengcomm，2014，（36）：8508-8516.5 Xing.F.Uniformly Dispersed and Re-Agglomerated Graphene Oxide-Based Cement Pastes：A Comparison of Rheological Properties，Mechanical Properties and MicrostructureJ.Nanomaterials，2018，8（1）：31.6 Guo.X.Deep research about the mechanisms of graphene oxide（GO）aggregation in alkaline cement pore solutionJ.Construction and Building Materials，2020，247：118446.7 Duan.W.H.Effect of ultrasonication energy on engineering properties of carbon nanotube reinforced cement pastesJ.Carbon，2015：212-220.8 Wen.H.Influence of ultrasonication on the dispersion and enhancing effect of graphene oxidecarbon nanotube hybrid nanoreinforcement in cementitious compositeJ.Composites Part B：Engineering，2019：45-53.9 陈佳敏.不同分散剂及超声时间对纳米石墨烯片分散性及其水泥基复合材料力学性能的影响J.中国水运（下半月），2019，19（12）：249-250.10 Kin L.The effect of the ultrasonication pre-treatment of graphene oxide（GO）on the mechanical properties of GO/polyvinyl alcohol compositesJ.Carbon，2013，（2）：321-327.11 GB/T8077-2000，混凝土外加剂匀质性试验方法，2000.12 GB/T 1346-2011，水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性，2011.13 GB17671-1999，水泥试验方法强度测定，1999.14 赵璐茜.氧化石墨烯对水泥砂浆力学性能的影响J.中国水运（下半月），2022，22（2）：145-146+149.（上接第 142 页）五、结束语 钢桁梁整节段吊装已经被广泛使用，通过建立钢桁梁节段的有限元模型，较为准确地的得出了两种吊点下的应力分布情况，给我们吊点的选择提供了一定的参考，同时也对钢桁梁段起吊过程中梁段自身进行了强度的校核：从计算结果来看，对于大吨位的梁段吊运，两吊点工况吊运过程中杆件内力，梁段产生的弯矩和变形，吊索的索力都比较大，安全系数较低；四吊点工况吊运过程中产生的应力相对较小，梁段变形较小，因此四吊点工况梁段在吊装过程中梁自身是比较安全的，采用四吊点工况。参考文献 1 中交第二公路工程局有限公司.公路桥梁施工系列手册.悬索桥M.北京：人民交通出版社，2014，5.2 遇瑞，罗永峰.大跨度空间钢结构整体吊装施工方法现状的研究C/.2009 全国钢结构学术年会论文集，2009：427-431+426.3 徐富强，江克斌，刘义.大跨度钢桁梁桥整体吊装施工吊点布置研究J.钢结构，2015，30（12）：97-100.4 张盛华.钢梁吊装吊点的三维有限元分析J.南通航运职业技术学院学报，2015，14（2）：28-31.5 吉伯海，傅中秋.钢桥M.北京：人民交通出版社股份有限公司，2016，6.6 陈绍蕃，顾强.钢结构 上册 钢结构基础（第三版）M.北京：中国建筑工业出版社，2014，5.