用Hummers法制備了氧化石墨烯(GO)并用超聲波將其分散制備了納米片層分散液，用XRD和AFM 表征了分散的效果。研究了不同含氧量GO 對水泥水化晶體微觀形貌及膠砂耐折強度和抗壓強度的影響，結(jié)果表明含氧量為18.65%和25.53%的GO 可使水泥水化產(chǎn)物成為花朵狀微晶體，而且形狀統(tǒng)一、分布均勻，具有顯著的增韌增強效果。

　　研究結(jié)果也說明了GO 能夠調(diào)控水泥水化晶體產(chǎn)物的形狀和尺寸，GO 對于水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物具有促進作用和模板效應(yīng)。研究結(jié)果對于提高混凝土建筑的抗裂縫和耐久性具有積極的意義。

1、引言

　　混凝土是一類具有高脆性和多孔性的復(fù)合材料，容易出現(xiàn)裂縫、滲透和遭受沖擊損壞等問題。從早期的鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土到目前的依靠各種增強纖維和外加劑的高性能混凝土，其目的都是要提高混凝土的強度和耐久性，同時也說明混凝土技術(shù)一直圍繞著提高強度特別是提高韌性的核心在不斷地發(fā)展之中。目前提高混凝土抗沖擊韌性的主要方法是依賴于高強度的鋼材和各種高性能的纖維，實現(xiàn)提高混凝土強度的同時提高韌性、降低脆性，其結(jié)果是在提高韌性、降低脆性方面的效果不顯著，卻導致了高性能混凝土的高成本和資源的高消耗。究其原因是人們的研究思路還主要是通過向混凝土中加入各種增強增韌材料來提高強度和韌性，忽視了對水泥水化過程形成的自身結(jié)構(gòu)改變，盡管有人發(fā)現(xiàn)超細石灰石、納米SiO2、超細粉煤灰等摻入混凝土中，具有促進水泥C3S水化產(chǎn)物鈣礬石(AFt)、硫鋁酸鈣(AFm)、氫氧化鈣(CH)、凝膠體(C-S-H)等形成微晶體而顯示增韌增強的效果，但這種增韌增強的效果有限。因此，尋求一種通過調(diào)控水泥水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對混凝土的增強特別是增韌是很有意義的事情。

　　氧化石墨烯(GO)是石墨的氧化產(chǎn)物，具有超高的強度和柔韌性，具有超大的比表面積，結(jié)構(gòu)中含有羥基、羧基、環(huán)氧基等基團(見圖3)，容易形成納米分散片層，容易與聚合物、陶瓷等形成插層復(fù)合物，具有明顯的增強增韌作用。本文采用Hummers法和超聲波分散方法制備GO 納米片層分散液，主要研究不同氧化程度GO 對于水泥水化晶體產(chǎn)物的形狀的調(diào)控作用及其與耐折抗壓強度的影響。

2、實　驗

　　2.1、材料、試劑和儀器

　　石墨(粒度<30μm)、濃硫酸(H2SO4，98%)、高錳酸鉀(KMnO4)、硝酸鈉(NaNO3)和雙氧水(H2O2，30%)均為分析純，由陜西華星實驗科技有限公司提供;聚羧酸系減水劑(PC，20%(質(zhì)量分數(shù)))、聲威水泥(ShengweiP.O.42.5R)和標準砂均由陜西天皓混凝土工程有限公司提供。

　　DYYB-500型超聲波材料分散器，上海德洋意邦儀器有限公司制造。X 光衍射儀(XRD)D/max2200PC，日本理學公司制造。SPI3800N/SPA400原子力顯微鏡(AFM)，日本精工制造。傅立葉紅外光譜(FTIR)儀VECTOR-22，德國布魯克公司生產(chǎn)。HITACHIS-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本日立公司制造。JES-300型膠砂抗折抗壓試驗機，無錫錫東建材設(shè)備廠。

　　2.2、氧化石墨烯的制備

　　在攪拌下依次向置于冰浴的1000mL三口燒瓶中加入濃硫酸60mL、石墨6g和NaNO32g，攪拌均勻后分次緩慢加入14gKMnO4，待溶液呈紫綠色后在5℃下繼續(xù)攪拌反應(yīng)1h，然后升溫至35℃攪拌反應(yīng)12h或者更長一些的時間，再緩慢加入200mL去離子水，升溫至60℃，補加500mL 去離子水，然后慢慢加入30mL雙氧水，顏色由棕色變?yōu)辄S色，趁熱抽濾，用去離子水反復(fù)洗滌至pH 值約為7，得到GO。將含有GO的水在325W 超聲分散1h，得到納米GO 懸浮液(GO)，保存?zhèn)溆�。GO 納米分散液制備示意見圖1。

圖1　GO 制備及分散過程示意圖

　　2.3、水泥膠砂的制備

　　按照水泥450g、標準砂1350g、水155g、PC0.9g(固體摻量)、GO0.09g(固體摻量)的比例制備水泥砂漿并放入模具中(尺寸為40mm×40mm×160mm)。在恒溫(20℃)恒濕(相對濕度90%)條件下養(yǎng)護。

　　2.4、檢測方法

　　采用KBr壓片法，取3~5mg研細的GO 樣品與100~200mgKBr粉末在瑪瑙研缽中仔細研磨后裝入模具中并在高壓下成膜，測定FT-IR圖譜。GO 分散液稀釋后在單晶硅片上成膜，用SEM 測量GO 表面含氧量，用AFM 測定GO 納米片層二維形貌。

　　將水泥膠砂試塊在恒溫恒濕箱中養(yǎng)護，按照GB/T17617-2007測試抗折強度和抗壓強度，壓碎試塊可分別用于SEM 和XRD測試。用于SEM 測定的樣品在真空烘箱內(nèi)于(45±5)℃下烘干5h，取合適樣品在金屬底座上固定及噴金后用于SEM 測定。用于XRD試樣在烘干研磨成細粉末后過濾除去砂，將細粉末固定在金屬板上進行XRD檢測。

結(jié)論

　　用Hummers法制備了氧化石墨烯(GO)，研究了氧化時間對GO 中含氧量的影響，研究了含氧量為18.65%和25.53%的GO 對水泥水化產(chǎn)物微觀形貌及耐折強度和抗壓強度的影響，結(jié)果表明含氧量為25.53%的GO 能夠使水泥水化產(chǎn)物形成密實的花朵狀微晶體，GO 對水泥水化晶體產(chǎn)物的形成具有促進和模板效應(yīng)，其增韌效果大于增強效果，研究結(jié)果對于提高混凝土建筑的耐久性和安全性具有積極的意義。