氧化石墨烯对水泥水化历程的调控机理研究

As a graphene derivative, graphene oxide is mono-layer of sp2-hybridized carbon atoms with a mixture of carboxyl, hydroxyl and epoxy functionalities. Our recent study has shown that the addition of GO could improve the strength and toughness of cement-based composites, promote the hydration process and reduce the hydration heat. However, effect of GO on hydration mechanism has been rarely investigated. In this subject, the effects of the surface chemistry and graphite flake size of GO on the degree of hydration, hydration heat, hydration rate, hydration kinetics at different stages of hydration are investigated. In-situ testing technique is used to investigate the effects of GO on the surface morphology, flocculent structure and rheology of plastic cement paste at early stage of hydration. And the microstructure, mechanical strength and drying shrinkage of hardened cement paste are also investigated and correlated to the hydration behavior. In the basis of above-mentioned study, the role of the high specific surface energy and oxygen functional groups of GO in the physico-chemical interactions, nucleation and crystal growth, phase separation of the cement hydration products during hydration process at early stage is elucidated. The hydration mechanism is enclosed, the hydration model is established and the method and theory of modification mechanism of GO during the hydration process are proposed. This subject will contribute to the hydration theory of cement and the effective application of GO in the cement-based composites.

氧化石墨烯由于其独特的二维纳米结构，能大幅度提高水泥基复合材料的韧性，促进水化历程，显著降低水化热，但是其水化机理尚不明确。本课题拟从氧化石墨烯的结构控制出发，研究氧化石墨烯表面化学和片层尺寸对水泥水化反应程度、水化热、水化速率、水化动力学的影响规律；通过原位测试技术，研究氧化石墨烯对水化初期塑性浆体表面形貌、絮凝结构和流变性能的影响规律，在此基础上，结合硬化水泥浆体微观结构的表征以及力学和收缩性能的评价，阐明氧化石墨烯在水化初期的物理化学反应，揭示水化机理，并基于氧化石墨烯调控晶体溶解、成核、长大和相分离的过程，建立水化模型，提出氧化石墨烯调控和优化水泥水化的方法和理论。上述工作的实现，将丰富水泥水化理论，为如何科学、高效地在水泥基复合材料中利用氧化石墨烯提供理论指导。

氧化石墨烯（GO）能增强增韧水泥基材料，但是对其增强增韧机理和水化机理还不明确。本课题研究了GO在水泥基体中的分散，以及对体系流变、水化以及硬化水泥浆体微结构和宏观性能的影响，在此基础上，研究了粉煤灰对GO-水泥体系流变性能和力学性能的协同调控作用。. GO在水泥基体中的分散是其应用的瓶颈，本课题研究表明，PCE减水剂有助于GO在高碱性多离子水泥溶液中的分散，并且支链较长或者酸醚比较大的PCE对GO有更好的分散效果。. 采用流变仪和激光共聚焦显微镜研究了GO对新拌水泥浆体流变性能的影响。由于具有超大的比表面积，GO容易与新拌水泥浆体中的水化产物形成“重组絮凝结构”，使浆体增稠增黏。粉煤灰是一种简单有效改善GO-水泥体系工作性的方法。粉煤灰的加入不仅可以提高体系的流变性能，而且与GO发挥协同作用，改善体系的微结构和力学性能。. 采用等温量热仪、XRD、TG-DTA以及ICP等手段研究GO对水泥水化行为的调控。研究表明虽然GO对水泥的水化进程无明显影响，但GO对水泥水化的主要产物氢氧化钙的形态有显著影响。GO能细化氢氧化钙晶体的尺寸。同时，当体系中有粉煤灰存在时，GO能够促进体系中粉煤灰的二次水化，从而提升体系后期性能。. 在微观结构和宏观性能方面，GO的掺入可以有效提高水泥基材料的抗折以及抗压强度，增加硬化水泥浆体中的凝胶孔以及毛细孔数量，起到细化孔隙的作用。GO的掺入使水泥基材料的自然干缩增加，但抗渗性能有一定提高。GO对水泥水化产物中晶体的排布并无明显影响。在GO-粉煤灰-水泥体系中，GO和粉煤灰能发挥协同效应，提升体系的早期和后期抗折和抗压强度，细化孔隙，减少有害孔的数量，减少体系干缩，提高抗氯离子渗透性能。. GO的增强增韧主要有三方面：一是GO对氢氧化钙晶体的细化作用以及晶型转变作用，二是GO对材料孔隙的细化作用，三是GO片层对于破坏过程中块体内部微裂缝的形成和扩展有一定的阻碍作用。