关于石墨烯在水泥基材料中的作用研究_开题报告

1.1课题研究的背景意义

随着社会经济水平的不断发展，我国基础设施的建设如火如荼，在公路、桥梁、铁道、核电、水电、港口、海洋等重大工程项目正进行着大规模的建设，规模空前。混凝土结构以其良好的整体性能、便于施工以及相对低廉的成本一直广泛地应用于基础建设领域。我国每年有约20亿方混凝土用于建筑工程，建设用水泥产量占到了世界总产量的70%。尽管目前有各种新型建筑材料的不断涌现，但钢筋混凝土结构仍然是本世纪最常用的结构形式。

然而，尽管混凝土技术目前得到了广泛的应用，但是随着大规模、极限环境条件下使用混凝土的情况越来越多，混凝土自身存在的问题需要我们去逐渐认识和改进。如果不能妥善、有效地解决混凝土存在的一些问题，将很难大幅拓展混凝土的用途。其中存在最严重的问题是混凝土结构的耐久性问题，指的是混凝土结构及其构件在各种可能引起性能劣化的作用下长期维持原有性能的能力。针对混凝土耐久性问题，我国早在 20 世纪 60 年代就开展了相关的研究，其中土木工程学会在 1982 和 1983 连续两年召开了全国耐久性学术会议，很大程度上推动了混凝土结构耐久性方面的研究。如今这方面的研究仍然是我国重点发展的研究方向之一。只有提高混凝土结构的耐久性，延长使用寿命、才能降低维修翻新的费用、减少能源消耗、节约材料、从而充分地利用资源保护生态环境、实现符合低碳减排型可持续发展的基本国策。

近年来，随着纳米科技的飞速发展，纳米材料凭借其体积效应、表明效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，在各个领域都展现出良好的应用前景。虽然很多人难以将纳米科技与传统的混凝土联系在一起，可不能否认两者间有着天然关系。但目前纳米材料在混凝土中的研究尚处在起步阶段，理论和实际应用方面都存在很多问题要解决，尤其是纳米材料的选取，纳米材料对于混凝土物理化学变化过程、微观结构变化等对混凝土耐久性影响的机理问题尚处在探索阶段。研究纳米材料在混凝土结构中的应用是一个难得的机遇，同时也是一个严峻的挑战。

1.2国内外研究状况

水泥复合材料是目前最重要、使用最广泛的建筑材料之一。虽然各种高性能水泥复合材料凭借高强度的优势已经在世界范围内生产和应用，但是水泥基复合材料中由棒状、针状的晶体钙矾石，单磺酸盐，氢氧化钙和水合硅酸钙凝胶而成的硬化水泥浆引起的高脆性[1]、易产生裂缝和低拉伸等缺点至今无法得到妥善的解决[2-4]，导致了材料的力学性能和使用寿命受到严重的影响。因此如何显著提高水泥复合材料的力学性能、工作性以及耐久性和有效地降低收缩徐变一直是国内外研究学者不断探索的重要课题。在已有的研究中发现掺入钢筋[5]钢纤维[6]碳纤维[7] ，聚合物纤维[8,9] 和矿物纤维[10,11]等增强材料和粉煤灰、矿渣等活性掺合料能提高水泥基复合材料的相关性能，但是仍然会发生破裂。

近几年，随着纳米技术的快速发展，碳纳米管（CNT），纳米二氧化硅和碳纳米纤维（CNF）的各种纳米材料已被作为添加剂，增强剂和吸附剂等在各个领域都发挥着巨大的作用[12-14]。2004年Andre Geim和 Konstantin Novoselov成功分离出石墨烯，吸引了大量的科学家将其作为水泥基复合材料的掺合料，为制备高性能水泥基复合材料和降低传统混凝土材料消耗提供了一种新的思路。使专家学者们开始寻求一种通过调节其微观结构来提高水泥基复合材料力学性能和改善耐久性的方法[15]。就可持续发展而言，每年混凝土的生产和应用，都会释放全球5～10%温室气体，因此开发新型建筑材料具有十分重要意义和紧迫性。目前，有大量实验研究表明：在水泥基复合材料中掺入石墨烯基材料，可以显著的提高力学性能，还大大的改善水泥砂浆和混凝土的耐久性。

Abrishami M E等人[16]石墨烯的聚集体导致分散性降低并限制其在水泥基材料中的应用，因此，通过氧化/超声方法以改善石墨烯在水中的分散性。简言之，取3g质量的石墨烯和300mL 70％硝酸倒入500mL玻璃烧瓶中混合并超声搅拌30分钟。接着，使用磁力搅拌器搅拌24小时，过滤，用中等碱性（NH3·H2O）漂洗，将pH调节至7左右，然后在60℃的烘箱中干燥3小时。Sanchez等人[17]研究了氧化石墨烯结构与硅酸钙水合物之间的相互作用，发现对C-S-H的亲和力与官能团的极性密切相关。Qin Wang等人[18]在GO对水泥水化反应的影响研究中指出，由于GO的表面和边缘上存在大量官能团可以在碱性环境中与水化产物发生化学反应，加速水泥的水化反应并缩短凝固时间。

傅玲和刘洪波研究指出[19]，纳米氧化石墨烯分散液（NGO）可以通过改进Hummers法[20]和超声波分散制备得到。其制备过程如下：首先，在小于35℃温度下，取3gNaNO3、60gH2SO4（浓）、6g石墨混合，在搅拌的过程中缓慢加入14g高锰酸钾待溶液呈紫绿色，反应24h以后向溶液中加入1000g去离子水；接着，将溶液温度调整至50℃，2h后加入16gH2O2。然后，进行离心沉淀、洗涤；最后，通过超声波破碎仪分散处理30min，过滤提纯。吕生华等人[21]研究了在水灰比为0.29的情况下，GO掺量为0%、0.01%、0.03%、0.05%、0.07%和0.09%的水泥净浆的流动度试验。结果表明，在PCs相同条件下，水泥净浆的流动度随GO掺量的增加而减小。认为与GO的二维蜂窝网状结构和表面的功能基团亲水性有关。当流动度保持在200mm以上时， PCs的掺量随GO含量的提高而增加。这说明虽然掺入GO使水泥净浆的流动度降低，但可以通过增加PCs改善。王琴等人[22]采用流变仪和激光共聚焦显微镜对不同氧化石墨烯GO掺量的新拌水泥浆体的流变参数以及浆体微观形态进行了定量化研究，所采集的数据采Modified-Bingham模型和Herschel-Bulkley模型进行拟合处理。分析发现，随着GO掺量的增加，水泥浆体中分散的水泥颗粒重新凝聚，塑性粘度和屈服应力随之增加，导致水泥浆体的流变性降低。其中GO掺量高于0.01wt%时，增稠效果最为明显。GO还提高了浆体的临界剪切速率，使流变行为表现为剪切变稀，提高浆体的稳定性。这现象产生的主要原因是GO高比表面积和大量的含氧官能团以及絮状结构通过分子间作用力重新排列结合。吕生华等[23]从NGO对水泥浆流动度及黏度的影响研究中得到了类似的结果。杜涛[24]研究了掺入氧化石墨烯对粉煤灰混凝土强度的影响，实验结果表明，掺入GO的立方体混凝土的早期抗压强度和后期强度均有明显的提高。杜涛[25]在水灰比为0.4的情况下，掺入含量为0.01%、0.03%和0.05%的GO对混凝土应力-应变的关系。

1.3石墨烯制备的研究现状

石墨烯简单来说即指单层石墨层片，是由 sp2 杂化的碳原子紧密排列成的单原子尺寸厚的蜂窝状晶体结构。自从 2004 年英国曼彻斯特大学的Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 成功地在实验中从石墨中分离出来，这种特殊的二维纳米材料凭借其优异的性能吸引了科学界大量学者的强烈兴趣。石墨烯是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构，抗拉强度和弹性模量分别为125GPa 和1.1TPa 强度约为普通钢的100倍[26];室温热导率约为5×103W/m﹒K, 是铜的10倍多[27];单层石墨烯的透光率为97.7%；电子迁移率可达2×105cm2/(V﹒s) ,约为硅的140 倍[28]。石墨烯具有这么多优异的性能，因此研究基于石墨烯的复合材料对于充分挖掘石墨烯潜在的性能和应用方面有着重大的意义。

1.4研究的目的和意义

石墨烯因具有优异的力学性能、电学性能和高于活性炭两倍的比表面积而被广泛应用在各种复合材料的制备。石墨烯复合材料的制备自 2004 年以来已成为研究热潮，发展十分迅速。例如：石墨烯巨大的比表面积使它成为优质的吸附剂，周丽等[29]利用石墨烯制备石墨烯基铁氧化物磁性材料用于水处理中的吸附剂，所得复合材料对重金属离子和芳香类物质具有良好的去除效果并在不同水质的污水中具有稳定性。肖蓝等[30]也将石墨烯用于水处理中，石墨烯本身的憎水性和易团聚的性能限制了其在水处理中的应用，因此发展亲水性和生物相容性是未来石墨烯复合材料用于水处理的发展方向。

氧化石墨烯材料是世界上力学强度、韧性最好的材料，本身具有增强增韧的物质条件，其纳米片层含有的多种功能性基团，具有调控水泥水化晶体产物的物质基础；氧化石墨烯能够调控陶瓷材料微观晶态结构以增强增韧，陶瓷与水泥水化具有类似的变化过程，因此NGO对水泥水化晶体产物的控制具有理论依据。本课题主要研究氧化条件对氧化石墨烯（NGO）中含氧官能团的数量、种类及分布影响的规律以及氧化石墨烯对水泥中CH、AFt、AFm晶体及C-S-H凝胶体的生长、含量影响的规律。为用氧化石墨烯对水泥复合材料进行增强增韧提供理论和技术基础，实现水泥基复合材料的高强度和长寿命。

二、^范文提纲

1绪论

1.1引言

1.2国内外研究状况

1.3研究的目的和意义

1.4研究的创新点

2石墨烯材料的简述

2.1 石墨烯纳米片

2.2 氧化石墨烯

2.3 氧化石墨烯分散液

3石墨烯材料对水泥基材料性能的影响

3.1对水泥水化的影响

3.2对水泥基材料工作性的影响

    3.2对力学性能的影响

4石墨烯材料对水泥基材料耐久性的作用

4.1 抗渗性

4.2抗冻融性

4.3其他性能

5氧化石墨烯材料在再生混凝土中的应用

5.1试验材料

5.2配合比设计

5.3试验方法

5.4力学性能试验

6结论与展望

三、参考文献

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