石墨烯水泥基复合材料性能及机理研究

Graphene sheet (GPs) is a single-atom-thick of sp2-hybridized carbon atoms nano-material with best comprehensive properties. Its extraordinary mechanical, thermal and electrical properties make Graphene sheet cement-based composites exhibit excellent strength, toughness and conductivity performance, etc.. It has great significance to extend Graphene sheet cement-based composites’ engineering application scope by researching the mechanical property, hydration property and the relationship of characters between microscopical and macroscopical sides. The research studies the physical and chemical functional dispersion technology and mechanism, to improve the homogeneity of Graphene sheet in suspension and cement matrix. The research studies comprehensive property factors, to put forward property evaluation methods and comprehensive evaluation index system suitable for Graphene sheet cement-based composites, identifying their application range and offering scientific proof for application. The research investigates the micro-effect and mechanism of property improvement, and mechanism of property degradation process by means of microscopic test and analysis, to provide basic theoretical support for practical engineering application and intensive studies, and offer guides for optimizing preparation techniques of Graphene sheet cement-based composites as well.

石墨烯是一种由碳原子经sp2杂化而成的只有一个碳原子厚度的新型二维纳米材料，它具有优越的力学、热学和电学性能，是综合性能最好的纳米材料。石墨烯水泥基复合材料预期具备优异的强度、韧性、耐久性及导电等性能。通过研究其基本物理力学性能、韧性和水化特性等性能指标及微观结构与宏观性能的关系，对于拓展石墨烯水泥基复合材料的工程应用范围具有重要意义。本课题通过研究石墨烯的物理、化学等功能化分散技术，提高其在悬浮液及水泥基复合材料中的分散均匀性；通过研究石墨烯水泥基复合材料的综合性能指标，掌握其工程应用特性和规律，提出适合于石墨烯水泥基复合材料的性能评价方法和综合评价指标体系，并确定其工程适用范围；通过微观测试分析，研究石墨烯提高水泥基复合材料性能的微观效应和作用机理，研究其性能劣化过程的失效机制，为其工程应用及深入研究提供基础理论支撑，亦为进一步优化石墨烯水泥基复合材料的制备技术提供指导。

石墨烯（GPs）具有良好的导电、力学等特性，同时石墨烯水泥基复合材料（GPs/CC）也具备优异的高强、高耐久性等性能。本课题系统研究了不同分散剂对GPs的分散效果、GPs/CC的力学性能、耐久性能以及自收缩性能，碳纳米管（MWNTs）和纳米碳纤维(CNFs)的分散性能及其水泥基复合材料的自收缩性能（拓展研究，与石墨烯比较），研究了GPs对水泥基复合材料水化性能的影响以及微观作用机理。.GPs的分散性研究成果表明：复掺时PVP+CTAB对石墨烯的分散效果好于单掺PVP，但却低于CTAB单掺对石墨烯的分散效果，石墨烯与CTAB的最佳配合比是1:3。最佳分散剂为聚氧代乙烯壬基苯基醚（CO890），CO890与石墨烯的质量比为5:1，最优超声功率为360 W，最小超声时间为20 min。.GPs/CC的力学性能和耐久性能研究成果表明：①随石墨烯掺量的增加，石墨烯水泥净浆复合材料的力学强度呈先增大后减小趋势。掺加0.05 wt%的石墨烯水泥净浆力学强度最高，抗压强度、抗折强度、弯曲韧性和断裂点位移分别提高了25.2%、3.7%、55.9%和52.1%。石墨烯掺量为0.05 wt%，水泥砂浆28 d抗折强度和抗压强度分别提高了24.0%和13.6%；掺量为0.08 wt%时，石墨烯水泥砂浆的弯曲韧性、断裂点位移和极限荷载力分别提高77.6%、58.9%和39.3%。②石墨烯的掺入可以提高水泥基复合材料的抗氯离子渗透性和硫酸盐侵蚀性。在水灰比为0.25、0.30和0.35时，石墨烯的最佳掺量分别为0.02%、0.02%和0.10%，此时水泥净浆的氯离子迁移系数达到最小值，氯离子迁移系数分别降低了5.63%、42%和37%。石墨烯掺量为0.05%时，石墨烯水泥砂浆的耐蚀系数最好；.碳纳米材料对水泥基复合材料的自收缩性能影响结果表明：掺入碳纳米材料，可以填充水泥基体中的孔隙，降低基体孔隙率；嵌入基体中的多壁碳纳米管和纳米碳纤维被拉出时，缓解自收缩应力，石墨烯能够延长裂缝扩展路径，有效吸收和分散能量荷载，从而改善水泥基体的自收缩性能； .水化性能及微观作用机理研究表明：石墨烯的加入能促进水泥水化，降低孔隙率，改善基体的抗渗性；当基体发生侵蚀时石墨烯的包裹效应以及桥联效应能够阻止离子的迁移与扩散；石墨烯的桥联作用，能阻止裂缝发展。