氧化石墨烯改性超高性能水泥基材料的性能研究

发布时间：2020-06-09 23:45

【摘要】：混凝土对工程建设起着至关重要的作用,然而普通混凝土在腐蚀环境下较差的耐久性常常导致其提前破坏。超高性能水泥基材料(Ultra-high performance cement-based materials简称UHPC)作为一种新型的水泥基材料,具有优异的力学性能和耐久性,通过表面强化技术将UHPC作为普通混凝土保护层,可以减少外部侵蚀离子对混凝土的侵蚀破坏,有利于提高混凝土基体耐久性。研究表明纳米材料可以改善水泥基材料微观结构,提高强度和耐久性。氧化石墨烯(GO)是一种二维纳米材料,片层表面含有大量的含氧官能团,因此GO具备良好的亲水性,可以作为一种增强材料应用在超高性能水泥基材料当中。然而普通UHPC黏度大、工作性差等缺点会引起施工困难以及材料密实度下降等问题,因此本文设计一种自密实UHPC配合比,以减少UHPC工作性能不足带来的不良影响。本文从石英砂级配、水胶比、矿物掺合料、减水剂、纤维等五个方面研究了原材料对UHPC力学性能和工作性能的影响;借助XRD、TG-DSC、SEM等先进测试方法分析研究了GO的引入对硅酸盐水泥水化历程的影响;将GO引入UHPC体系,着重研究了GO改性UHPC的工作性能、力学性能和耐久性。得到以下结论:(1)石英砂级配为3:4:3:0、水胶比0.2、减水剂掺量1.5%时,UHPC兼具良好的力学性能和流动性。硅灰掺量从15%增长到25%时,UHPC力学性能未发生明显变化,而流动性损失严重;掺入适量FA2000可实现在不影响UHPC强度的基础上显著改善UHPC流动性,最佳掺量为10%-15%;使用超细矿粉取代适量FA2000可以提高UHPC强度,且对流动性影响很小,最佳掺量为5%;钢纤维和PVA纤维的掺入均可以改善UHPC力学性能,提高折压比,但相比PVA纤维,钢纤维对UHPC自密实性能影响较小,更适合配置自密实UHPC。(2)XRD、TG-DSC、SEM测试结果表明,GO的掺入对水泥水化有一定的促进作用,增加了水化产物的生成量,改善了水泥基材料的微观结构。此外,GO可提高UHPC力学性能,对早期强度的提升更加明显,但GO的掺入会降低新拌UHPC浆体流动性。当GO掺量从0.03%增加到0.05%时,UHPC强度变化不明显,流动性显著下降。(3)GO可提高UHPC抗氯离子渗透性能,掺入0.03%GO可使UHPC氯离子扩散系数降低14.5%,达到2.12×10~(-13)m~2/s;GO改性UHPC具有更加优异的耐蚀性,硫酸盐、镁盐双重侵蚀150d时,未掺GO的UHPC抗蚀系数下降到0.94,而GO改性UHPC的抗蚀系数仍在1.00以上;UHPC早期干缩较大,28d之后UHPC干缩率变化不再明显,GO和钢纤维均可以降低UHPC干燥收缩率;掺入0.03%GO可以使UHPC拉伸粘结强度提高17.3%,钢纤维对UHPC粘结强度也具有一定的提升作用。
【图文】：

超高性能混凝土,水泥基复合材料,水泥基材料,和易性

目前大量水泥基复合材料被用于城市以及重大工程建设之中。然而普通水泥基材料具有力学性能差、脆性较大、耐腐蚀差等缺点，尽管掺入纤维可以有效地增强增韧水泥基复合材料[24-25]，但纤维的掺入并不能阻止纳米级微裂纹的产生，而且纤维不参与水泥水化，，并没有改善水泥基材料的密实度。20 世纪 90年代，超高性能混凝土（简称 UHPC）问世，超高性能混凝土由于其优良的和易性、力学性能以及耐久性能受到了学者们的广泛关注[26]。超高性能混凝土的基本配制原理：采用极低水灰比，减小水分蒸发留下的孔隙，添加高效减水剂，改善混凝土和易性，掺入高活性的矿物掺合料，减少粗骨料的含量，进而减少超高性能混凝土的孔隙率，优化微观结构，得到高强、高耐久性的水泥基材料[27]。1995 年 Pierre Richard 等人配置出了抗压强度可达 200-800MPa 的活性粉末混凝土（简称 RPC），成为 UHPC 发展史的重大技术突破[28]。UHPC 优良的力学性能和耐久性使得它在工程应用中具有巨大的潜力，目前美国、加拿大等许多国家都开始使用 UHPC 进行城市建设。

抗压试验机,抗折,漏斗

图 2-1 全自动抗折抗压试验机测试方法实混凝土标准 EFNARC[58]，水泥基材料自密实漏斗时间两个参数表征，流动扩展度采用流动中，将表面刮平，垂直提起筒体，30s 后，采用 V 型漏斗测定水泥基材料流动速度。将新拌砂抹平，记录下砂浆完全从漏斗中流出的时间,精具体规格参数见下图 2-2。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ172.1

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