吕岱萤，王 军

厦门大学嘉庚学院，福建 漳州 363105

普通硅酸盐水泥混凝土因其优良的抗压强度而成为应用最广泛的建筑材料之一。但混凝土缺乏延性性，且抗拉强度和抗弯强度较低，抗裂能力较差，所以人们做了许多实验来增强它的性能比如添加辅助胶凝材料（如粉煤灰、高炉炉渣等）和纤维（如玻璃纤维和钢纤维），但它们不能充分增强其物理性能和纳米级的耐久性。普通硅酸盐水泥的主要粘结剂是砂、粗粒砾石或碎石，通过加入水与粗骨料形成混凝土，开始水合作用。为了更有效的改善混凝土的各项性能，氧化石墨烯常常作为其添加材料进行研究。

1 国内外研究进展

Yu-You Wu，Longxin Que，Zhaoyang Cui，Paul Lambert［1］在2019 年分别在成都理工大学土木工程系、谢菲尔德哈勒姆大学材料与工程研究所进行氧化石墨烯纳米片的实验，证明了氧化石墨烯纳米片的掺入可以改变混凝土的抗压和抗弯性能和塌落度参数。在实验材料中，所有的混凝土混合料均采用普通硅酸盐水泥，其化学成分也相同，细骨料和粗骨料为天然河流，细度模数为2.74 的砂子和尺寸为5～20mm 的破碎石英，掺入聚羧酸盐基高效减水剂改善其工作性能，利用氧化石墨烯纳米片作为水分散液，合成了氧化石墨烯纳米片。研究表明，添加氧化石墨烯纳米片可有效提高普通硅酸盐水泥胶体的抗压和抗弯性能，证实氧化石墨烯纳米片是水泥基复合材料中纳米增强材料的良好候选材料。我们对掺量为0～0.08%、水灰比为0.5的氧化石墨烯纳米片增强混凝土的坍落度和物理性能进行试验研究，对掺有不同石墨烯氧化纳米片含量的混凝土在7d、14d、28d 试件进行抗压强度试验，研究结果表明，与未掺入氧化石墨烯纳米薄片的混凝土相比，掺入氧化石墨烯纳米薄片的混凝土试件普遍具有较高的抗压强度。当氧化石墨烯纳米片含量从0.02%增加到0.08%时，28d 的抗压强度从46.47 MPa 增加到55.22 MPa，与没有氧化石墨烯纳米片的混凝土试件相比，从12.84%增加到34.08%。这证实了在水灰比为0.5 的情况下，氧化石墨烯纳米片的含量从0.02%增加到0.08%，可以提高混凝土的抗压强度。而且抗弯强度实验结果表明，在不同的试验条件下，混凝土试件在7d、14d、28d 的抗弯强度均有不同程度的提高，抗弯强度实验中随着氧化石墨烯纳米片含量增加，前14d的增长速度比14d 到28d 的增长速度快，对于给定的氧化石墨烯纳米片，28d 内的添加量从0.02%增加到0.08%。弯曲强度的变化趋势显示不同氧化石墨烯纳米片添加量下的混凝土试样随龄期的变化是增加的，混凝土的抗压强度和抗弯强度是相关的。通过几组数据的分析比较，我们可以通过结果绘制出一个函数Ff=0.076 Fc+23.0612（Ff为抗压强度，Fc为抗弯强度）。对氧化石墨烯纳米片增强水泥砂浆的实验结果，实验者认为这可能是增强机械联锁的结果。微裂纹与氧化石墨烯纳米片之间存在着强烈的相互作用，氧化石墨烯纳米片促进了水化过程或羧基与水化产物之间形成了强大的界面力。我们可以得出结论，氧化石墨烯纳米片的加入提高了混凝土的抗压强度、抗弯强度和劈裂抗拉强度，且混凝土的坍落度随氧化石墨烯纳米片含量的增加而降低。结果还表明，水泥掺量为0.03%是提高混凝土劈裂抗拉强度的最佳掺量。

不同于直接掺入于混凝土中，氧化石墨烯与胶凝材料混合贴装在混凝土表面可有效地影响混凝土的最佳疲劳寿命，因为采用近表面贴装纤维增强聚合物技术加固钢筋混凝土结构的效率取决于近表面贴装纤维增强聚合物与混凝土基体之间的粘结。Nihad Tareq Khshain Al-Saadi，Alyaa Mohammed和Riadh Al-Mahaidi［3］在2016 年的进行实验中，使用外加氧化石墨烯聚合物材料进行混凝土试块测验，发现添加了氧化石墨烯试块的一组拥有良好的疲劳寿命。实验材料为在实验室里配制的混凝土。混合比例质量为：1：2.2：4.1 水泥、砂浆、碎石。水/水泥比率为0.6。破石，最大尺寸为14mm，用作粗骨料。实验过程，将配置好的75mm×75mm×250mm混凝土试件，从居中位置预留出5mm×30mm×180mm的凹槽，凹槽两部设置铝板防止凹槽内部的液体流出。当混凝土养护完成，在凹槽内加入预制的氧化石墨烯和胶凝材料的结合形成的近表面贴装纤维形成的聚合物，在21℃的室温下养护28d，开始进行实验。本研究共测试了61 个混凝土棱柱，15 个试件（对照试件中有5 组空白试件和十组普通聚合物聚合物水泥基胶粘剂）在单调加载下张拉直至破坏，46 个试件根据加载比和应力比在不同加载范围（最小和最大疲劳载荷）下进行试验。荷载比为最大循环疲劳荷载与极限静荷载之比。应力比是最小循环疲劳载荷与最大循环疲劳载荷之比。本研究疲劳试验采用应力比0.1，载荷比0.60、0.675、0.75、0.825、0.9。结果显示对于相同的碳纤维布带表面（光滑和/或粗糙）1.420 mm聚合物条显出更好的性能，因为其增加了对周围混凝土的约束力对于同一组实验中，添加聚合物的实验抗疲劳测试能力更强，所以它的机械咬合力和高粘度能力高于普通聚合物水泥基胶粘剂。疲劳及疲劳后的试件检查中发现使用氧化石墨烯和胶凝材料的结合聚合物的混凝土试件表面横向均匀分布，空隙均匀，其高流动性，自密实性可延长混凝土的寿命。相比之下，聚合物水泥基胶粘剂覆盖了部分碳纤维增强塑料，表面具有不均匀层沿粘结方向分布，其中有许多空隙和裂纹，而后我们发现粘接层无法的压实是由低流动性引起，可判断聚合物水泥基胶粘剂的混凝土寿命较短。使用低疲劳测试力度的实验测试试件可以发现，氧化石墨烯和胶凝材料的结合聚合物的混凝土试件仅在初始疲劳循环时，键合有轻微的退化。在高疲劳测试下，氧化石墨烯和胶凝材料的结合聚合物的混凝土试件拥有更大的疲劳承载范围。研究使用新型高强度自密实胶凝剂在单搭接剪切试验条件下，将近表面贴装碳纤维增强聚合物带粘贴到混凝土衬底形成试验材料，将氧化石墨烯和胶凝材料合成了单一材料。试验变量为：碳纤维布带尺寸（1.410mm、1.420mm）和碳纤维布带表面状况（光滑、粗糙）。对61 个试件进行了不同疲劳载荷范围下的疲劳试验，得出了载荷范围与疲劳寿命的关系。最后，根据试验结果建立了疲劳寿命预测方程。结果表明，在不同的疲劳载荷水平下，尺寸为1.420mm 的粗糙表面碳纤维布具有最佳的疲劳寿命。试验结果进一步验证了新型高强度自密实胶凝剂将近表面贴装碳纤维布条粘结在混凝土基体上的有效性。此外，该方程能较好地预测疲劳寿命，可用于钢筋混凝土构件的设计。

2 结论

上述各类实验表明，氧化石墨烯无论何种方式的掺入都对混凝土性能有所增强，在未来工程，氧化石墨烯纳米片的掺入可使用在超高层建筑的浇筑上，使得超高层建筑能在抵抗自身荷载的情况下，对风压还能有较好的抗弯能力。石墨烯磺酸盐纳米片研制表明，将来我们在日常工程中对钢筋的防水保护甚至水下建筑、道桥、桩基都将有新的大规模突破。在氧化石墨烯用作涂抹类材料时，由于防水性的提高，我们将可以用其代替原来的防水涂抹类材料对建筑进行保护，最后，在氧化石墨烯作为聚合物分布在混凝土材料中时，其可有效增强混凝土的疲劳寿命，使得在道路中可以发挥巨大作用。所以，对于氧化石墨烯这种材料的有效应用将改善混凝土材料部分的不足，在今后的道桥建设中可能得到广泛应用。