石墨烯改性水泥材料的制备及其机理研究

作     者：景国建 

作者单位：济南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：叶正茂

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：石墨烯 水泥 水化反应 分散性 絮凝 

摘      要：水泥混凝土作为世界上使用最广泛的建筑工程材料,研究其性能改善具有十分重要的现实意义。随着纳米科技的发展,很多研究者将纳米材料引入到水泥中来改善水泥的诸多性能,且取得了可观的效果。石墨烯作为新型的二维纳米材料,由于其优异的性能而受到人们的广泛关注。本文研究了石墨烯和氧化石墨烯对水泥水化历程及水化程度的影响,在此基础上分析了氧化石墨烯在水泥碱性环境中的絮凝现象,同时试图通过球磨法将石墨烯分散在水泥基体中,从而制备出具有良好性能的改性水泥材料。首先采用改性Hummers法制备氧化石墨烯分散液,氧化石墨烯表面呈现褶皱状且含有大量的-OH、-O-和-COOH官能团。借助水化热、TG-DSC等分析方法,研究了石墨烯/氧化石墨烯对水泥水化历程及水化程度的影响:石墨烯/氧化石墨烯的加入对水泥的水化放热速率及总放热量基本没有影响,且氢氧化钙(CH)和化学结合水的含量也没有显著变化。结合SEM分析,可以得出:石墨烯/氧化石墨烯只是物理性的分散在水泥中。对氧化石墨烯在水泥浆体中的絮凝现象进行了研究,采用CH溶液模拟水泥水化后的碱性环境,通过紫外分光光度计和ζ-电位等方法,系统分析了氧化石墨烯发生絮凝现象的过程及解决办法。结果表明:少量的CH(30 mg/L)即可导致氧化石墨烯的絮凝现象,聚羧酸减水剂(PC)能够有效抑制氧化石墨烯的絮凝过程,且氧化石墨烯与PC之间没有化学键的作用。从官能团的角度探究了PC分散氧化石墨烯的机理:相比于-OH,-COOH官能团能有效抑制氧化石墨烯的絮凝过程,同时PC特殊的分子结构对分散氧化石墨烯也有一定的空间位阻作用。通过球磨法将石墨烯均匀分散在水泥中,研究了石墨烯对水泥材料的增强效果。实验结果表明:石墨烯的加入提高了水泥净浆的抗压强度,其最佳掺量为0.03 wt%,此时的强度增长率在9%左右。石墨烯在球磨后其形态基本没有变化,且石墨烯的加入没有诱导水泥矿物生成新的水化产物。