氧化石墨烯/纳米贝利特（GO/NC）复合改性混凝土的设计与机理研究

Cracking is one of the crucial factors to cause the degradation and failure of concrete structures. It usually significantly reduces the service life of buildings and infrastructure. The aim of this project is to improve the toughness of concrete using a self-developed graphene oxide /nano-belite cement (GO/NC) composite, through which the micro-cracks will be well controlled before it goes into macro-cracks. In this project, an electrochemical method will utilized to synthesize a GO material suitable for use in concrete. Methods will be developed to characterize the species and quantity of functional groups on GO. The relationship between the oxidizing level and mechanical property will be established. Moreover, a combustion method to synthesize NC is proposed. The refinement principle is investigated and is used to guide the choosing of fabrication parameters. Methods to characterize the combination effect of GO/NC composite will be built to ensure the chemical bonding. The regulation mechanism of GO/NC composite on concrete will be revealed and the modification effect will be evaluated. In the following, the multiscale simulation will be performed to reveal the transport of chloride in concrete, based on which the dosage of the composite will be determined. The work in this project has the potential to modify the caused cracking in concrete from the origin. It can also provide scientific and social evidence for the safe operation of concrete structure in marine environment.

裂缝是导致混凝土结构劣化与失效的关键影响因素，其存在将会大幅度缩短基础设施的安全服役寿命。本项目将基于自主研发的氧化石墨烯/纳米贝利特（GO/NC）复合系统对混凝土在纳米尺度进行增韧改性，在微裂缝发展成宏观裂缝之前进行有效防治。本研究拟开发适用于混凝土的GO材料的电化学制备方法，建立GO官能团种类及数量的表征技术,探讨GO氧化程度与力学性能之间的关系；改进NC材料的制备方法，生产出成分、尺寸与GO匹配的NC材料；建立GO表面官能团与NC材料结合效果的表征方法，确保二者之间的化学键合；揭示GO/NC复合材料对水泥浆体不同组分的调控机制，对改性效果进行评价;开展混凝土微结构与传输性能的多尺度模拟，明确氯离子在GO/NC复合改性混凝土中的传输规律，优化GO/NC复合材料的掺量。预期成果将对解决混凝土的开裂问题提供新的思路，对保障滨海地区混凝土结构的安全服役与耐久性具有重要的科学价值和社会价值。

针对混凝土开裂导致的混凝土结构劣化与失效问题，自主研发了氧化石墨烯/纳米贝利特（GO/NC）复合系统对混凝土在纳米尺度进行增韧改性，研究成果将为解决混凝土的开裂问题提供新的思路，对保障滨海地区混凝土结构的安全服役与耐久性提供参考。主要成果如下：.（1）利用电化学方法成功制备了GO材料，从制备效率和GO质量的角度对GO的合成参数进行了优化。最终确定的GO的制备工艺为：阳极材料为石墨棒或者碳纤维，阴阳极之间的距离为2cm，电解液为自来水，通电电流为4~30mA。此工艺操作安全、成本低廉、环保绿色、操作简单、重复性好、工艺可靠，适合于对混凝土进行力学改性。.（2）对NC的制备方法进行了优化，确定了两步法的NC的制备方式，提高了NC的纯度和制备的可靠性，最终得到高纯（纯度达95%以上）、高比表面积的NC材料。制得的NC颗粒粒径均匀，粒径100nm左右，具有更高的水化活性，满足GO/NC复合系统对于材料的需求。.（3）探究了GO/NC复合晶种的生长规律，确定了晶种最佳的复合水化时机，并从NC水化程度、NC水化产物在GO上的生长规律以及形貌状态、GO与NC水化产物结合程度三个角度对GO/NC复合晶种的品质进行了评价。在对GO/NC复合晶种进行加热快速水化14天后，得到适用于水泥基材料改性的最佳GO/NC复合晶种。.（4）通过试验和数值模拟的方式，明确了GO/NC复合晶种对普通硅酸盐水泥水化的调控机理，探究了其对水泥基材料力学性能和微观结构的影响规律，最终达到了利用GO/NC复合晶种改性水泥基材料从而对裂缝进行控制的目的。最终发现，GO/NC复合晶种提高了C3S水化速率和水化程度，增加了C-S-H链长，改善了界面过渡区（ITZ），有效提升了水泥基材料的抗折强度，实现了1+1>2的效果。因此GO/NC复合晶种的引入能够从纳米尺度对混凝土进行有效的开裂控制。.（5）研究成果发表学术论文12篇，全部为SCI收录；获得发明专利2项，其中国内发明专利和美国发明专利各一项；培养硕士生2名。