石墨烯纳米片/氧化石墨烯增强水泥基复合材料水化作用及力学性能研究
发布时间：2021-04-14 09:49
水泥基材料是建筑和基础设施建造中最常用的材料之一,然而较差的抗裂性、抗拉强度和应变能力限制它的应用,因此研究改善水泥基材料的力学性能具有重大意义。随着科技的迅速发展,纳米材料被研究用于水泥基材料中,用以提高其力学性能和耐久性。石墨烯是一种二维碳纳米材料,具有非凡的物理、化学性能,其特殊的二维平面结构和更高的长径比使得它拥有其它纳米材料无法比拟的优势,被广泛地用于制造高性能复合材料。本文结合现有研究并通过引入石墨烯的两种衍生物—石墨烯纳米片和氧化石墨烯到水泥基材料中,基于普通硅酸盐水化理论和水泥基材料微观表征技术,系统研究并分析了石墨烯纳米片和氧化石墨烯对水泥基材料的水化作用和力学性能的影响。主要内容如下:（1）石墨烯纳米片/氧化石墨烯水泥基复合材料的制备。基于已有的研究,本文采用超声波振动结合添加表面活性剂方法对石墨烯纳米片/氧化石墨烯进行分散,制备得均匀的分散溶液,并参考相关规范制备水泥基复合材料以进行相关试验。（2）石墨烯纳米片/氧化石墨烯对水泥水化作用的影响分析。基于水化理论,分别对复合水泥净浆进行了水化热试验、扫描电镜检测、X射线衍射检测等试验,结果表明:石墨烯纳米片和氧化石墨...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯及其衍生物化学表达式（a）石墨烯，（b）氧化石墨烯(GO)，（c）还原氧化石墨烯(rGO)
石墨烯纳米片/氧化石墨烯增强水泥基复合材料水化作用及力学性能研究4图1.3石墨烯纳米片的扫描电镜图:（a）分散前；（b）和（c）分散后[33]Figure1.3SEMimagesofGNPs:(a)beforedispersion;(b)and(c)afterdispersion[33]郝巍[34]研究了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）两种分散剂和高速剪切、超声振动等分散方式对石墨烯纳米微片（xGNP）在水性溶液中的分散的影响，并通过测量吸光度来表征其分散的效果好坏。试验结果表明，浓度为10mg/mL时，PVP具有最好的分散效果，静置4个月还能保持90%分散性能。分散方式方面，高速剪切结合探针超声分散的方法分散效果最好，分散性能提升大于7%。虽然研究发现，氧化石墨烯容易分散于水溶液中，但近期的一部分学者发现氧化石墨烯会在碱性环境中发生团聚现象，而水泥基材料偏碱性，如果贸然掺入会影响氧化石墨烯的提升效果，可能会造成负面影响。因此他们对氧化石墨烯在水泥基质中的分散进行了研究。WangB[35]等人选用阿拉伯树胶、引气剂（Microair905）及聚羧酸盐（ADVA210和VCE）四种表面活性剂来作为分散剂，加入至氧化石墨烯溶液（GO）中，并分别倒入水泥孔溶液中，以此来研究分散剂对氧化石墨烯在碱性环境下分散效果。吸光度试验结果表明，聚羧酸盐的高效减水剂ADVA210将GO分散在水泥碱性环境中的效果最好，表现为更高的吸光度值。景国健[36]选取聚四苯乙烯磺酸钠（PSS）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和聚醚型聚羧酸减水剂（PC）这三种材料作为分散剂，加入到含有氧化石墨烯（GO）的溶液中，通过对比在CH溶液中的分散情况来模拟在水泥基体中的分散效果，结果如图1.4所示。试验结果表明，相比于其他分散剂，聚羧酸减水剂更能够有效地提升氧化石墨烯在CH溶液中的分散。
江苏大学硕士学位论文5图1.4掺入不同分散剂的氧化石墨烯溶液在CH溶液中的分散效果[36]Fig1.4DispersioneffectofGOsolutionmixedwithdifferentdispersantsinCHsolution[36]ZhaoL[37]等人在60℃条件下，将聚羧酸减水剂（PC）加入到氧化石墨烯（GO）溶液中，并结合超声振动制备获得聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合溶液，他们通过对比对照组和混合溶液在碱性环境下的分散情况来表征这种方法的可行性，试验结果如图1.5所示。结果表明通过引入聚羧酸减水剂能够很好的处理氧化石墨烯在碱性环境中的团聚现象，实现了氧化石墨烯在水泥中的均匀分散并且优化了可加工性。图1.5氧化石墨烯在（a）饱和CH溶液中的团聚现象和（c）含有NaOH和KOH溶液中的团聚现象；聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合溶液在（b）饱和CH溶液中的分散和（d）在含有NaOH和KOH液中的分散[37]Fig1.5GOagglomeratesinsaturatedCHsolution(a)andmixedsolutionofNaOHandKOH(PH=13.5)(c);PC@GOdispersesinsaturatedCHsolution(b)andmixedsolutionofNaOHandKOH(PH=13.5)(d)[37]杜涛[38]选用聚羧酸减水剂（PC）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和12-氨基十二酸来比较对氧化石墨烯（GO）在水泥中分散的作用，在分散剂和氧化石墨烯混合溶液中加入少量水泥到，搅拌均匀后，静置一段时间观察沉淀情况。结果表明：相比于其它分散液，含有聚羧酸减水剂的混合溶液无明显分层现象，分散较为均匀，这表明聚羧酸减水剂的掺入能够明显减少氧化石墨烯在水泥中的絮凝现象，能够较大地改善氧化石墨烯在碱性环境下的分散性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]氧化石墨烯/水泥基复合材料的微观结构和性能[J]. 吕生华,张佳,罗潇倩,朱琳琳,倪蔡辉. 材料研究学报. 2018(03)
[2]氧化石墨烯对水泥水化进程及其主要水化产物的影响[J]. 王琴,李时雨,王健,潘硕,郭紫薇,吕春祥,CUI Xinyou. 硅酸盐学报. 2018(02)
[3]氧化石墨烯改性水泥砂浆力学性能及微观机理研究[J]. 袁小亚,杨雅玲,周超,曾俊杰,肖桂兰,刘绍利. 重庆交通大学学报(自然科学版). 2017(12)
[4]氧化石墨烯对水泥砂浆力学性能的影响[J]. 万朝均,吴林烽,蒋玉萍,尹亚柳. 重庆建筑. 2017(09)
[5]石墨烯的分散性及石墨烯水泥基复合材料的研究进展[J]. 王宝民,姜瑞双,赵汝英. 混凝土. 2016(12)
[6]Effect of graphene on mechanical properties of cement mortars[J]. 曹明莉,张会霞,张聪. Journal of Central South University. 2016(04)
[7]氧化石墨烯增强磷酸钙生物水泥[J]. 杨洪,张昊烨,陈新艳. 复合材料学报. 2016(04)
[8]聚乙烯纤维对超高性能混凝土性能的影响[J]. 黄政宇,李操旺,刘永强. 材料导报. 2014(20)
[9]二维碳材料——石墨烯研究进展[J]. 顾正彬,季根华,卢明辉. 南京工业大学学报(自然科学版). 2010(03)
[10]纳米材料晶粒鉴定方法的研究[J]. 吴万国,丁音琴,黄清明. 福州大学学报(自然科学版). 2003(01)
博士论文
[1]氧化石墨烯水泥基材料性能及其应用研究[D]. 刘春燕.西安建筑科技大学 2017
硕士论文
[1]掺入纳米氧化石墨烯水泥基复合材料体积稳定性研究[D]. 曾鞠庆.江苏科技大学 2019
[2]基于分子动力学理论氧化石墨烯增韧水泥基材料的机理研究[D]. 杨铁军.青岛理工大学 2018
[3]矿物质掺合料对混凝土强度和渗透性能的影响研究[D]. 李士洋.哈尔滨工程大学 2018
[4]石墨烯改性水泥材料的制备及其机理研究[D]. 景国建.济南大学 2017
[5]石墨烯纳米微片水泥砂浆复合材料研究[D]. 郝巍.山东大学 2017
[6]石墨烯水性分散及其水泥基复合材料力学性能[D]. 姜瑞双.大连理工大学 2017
[7]掺纳米石墨烯片水泥基复合材料的机敏性研究[D]. 刘衡.武汉理工大学 2015
[8]氧化石墨烯水泥基复合材料性能研究[D]. 杜涛.哈尔滨工业大学 2014
[9]纳米二氧化硅对水泥基材料性能的影响及作用机理研究[D]. 徐庆磊.浙江大学 2013
本文编号：3137114
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯及其衍生物化学表达式（a）石墨烯，（b）氧化石墨烯(GO)，（c）还原氧化石墨烯(rGO)
石墨烯纳米片/氧化石墨烯增强水泥基复合材料水化作用及力学性能研究4图1.3石墨烯纳米片的扫描电镜图:（a）分散前；（b）和（c）分散后[33]Figure1.3SEMimagesofGNPs:(a)beforedispersion;(b)and(c)afterdispersion[33]郝巍[34]研究了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）两种分散剂和高速剪切、超声振动等分散方式对石墨烯纳米微片（xGNP）在水性溶液中的分散的影响，并通过测量吸光度来表征其分散的效果好坏。试验结果表明，浓度为10mg/mL时，PVP具有最好的分散效果，静置4个月还能保持90%分散性能。分散方式方面，高速剪切结合探针超声分散的方法分散效果最好，分散性能提升大于7%。虽然研究发现，氧化石墨烯容易分散于水溶液中，但近期的一部分学者发现氧化石墨烯会在碱性环境中发生团聚现象，而水泥基材料偏碱性，如果贸然掺入会影响氧化石墨烯的提升效果，可能会造成负面影响。因此他们对氧化石墨烯在水泥基质中的分散进行了研究。WangB[35]等人选用阿拉伯树胶、引气剂（Microair905）及聚羧酸盐（ADVA210和VCE）四种表面活性剂来作为分散剂，加入至氧化石墨烯溶液（GO）中，并分别倒入水泥孔溶液中，以此来研究分散剂对氧化石墨烯在碱性环境下分散效果。吸光度试验结果表明，聚羧酸盐的高效减水剂ADVA210将GO分散在水泥碱性环境中的效果最好，表现为更高的吸光度值。景国健[36]选取聚四苯乙烯磺酸钠（PSS）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和聚醚型聚羧酸减水剂（PC）这三种材料作为分散剂，加入到含有氧化石墨烯（GO）的溶液中，通过对比在CH溶液中的分散情况来模拟在水泥基体中的分散效果，结果如图1.4所示。试验结果表明，相比于其他分散剂，聚羧酸减水剂更能够有效地提升氧化石墨烯在CH溶液中的分散。
江苏大学硕士学位论文5图1.4掺入不同分散剂的氧化石墨烯溶液在CH溶液中的分散效果[36]Fig1.4DispersioneffectofGOsolutionmixedwithdifferentdispersantsinCHsolution[36]ZhaoL[37]等人在60℃条件下，将聚羧酸减水剂（PC）加入到氧化石墨烯（GO）溶液中，并结合超声振动制备获得聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合溶液，他们通过对比对照组和混合溶液在碱性环境下的分散情况来表征这种方法的可行性，试验结果如图1.5所示。结果表明通过引入聚羧酸减水剂能够很好的处理氧化石墨烯在碱性环境中的团聚现象，实现了氧化石墨烯在水泥中的均匀分散并且优化了可加工性。图1.5氧化石墨烯在（a）饱和CH溶液中的团聚现象和（c）含有NaOH和KOH溶液中的团聚现象；聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合溶液在（b）饱和CH溶液中的分散和（d）在含有NaOH和KOH液中的分散[37]Fig1.5GOagglomeratesinsaturatedCHsolution(a)andmixedsolutionofNaOHandKOH(PH=13.5)(c);PC@GOdispersesinsaturatedCHsolution(b)andmixedsolutionofNaOHandKOH(PH=13.5)(d)[37]杜涛[38]选用聚羧酸减水剂（PC）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和12-氨基十二酸来比较对氧化石墨烯（GO）在水泥中分散的作用，在分散剂和氧化石墨烯混合溶液中加入少量水泥到，搅拌均匀后，静置一段时间观察沉淀情况。结果表明：相比于其它分散液，含有聚羧酸减水剂的混合溶液无明显分层现象，分散较为均匀，这表明聚羧酸减水剂的掺入能够明显减少氧化石墨烯在水泥中的絮凝现象，能够较大地改善氧化石墨烯在碱性环境下的分散性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]氧化石墨烯/水泥基复合材料的微观结构和性能[J]. 吕生华,张佳,罗潇倩,朱琳琳,倪蔡辉. 材料研究学报. 2018(03)
[2]氧化石墨烯对水泥水化进程及其主要水化产物的影响[J]. 王琴,李时雨,王健,潘硕,郭紫薇,吕春祥,CUI Xinyou. 硅酸盐学报. 2018(02)
[3]氧化石墨烯改性水泥砂浆力学性能及微观机理研究[J]. 袁小亚,杨雅玲,周超,曾俊杰,肖桂兰,刘绍利. 重庆交通大学学报(自然科学版). 2017(12)
[4]氧化石墨烯对水泥砂浆力学性能的影响[J]. 万朝均,吴林烽,蒋玉萍,尹亚柳. 重庆建筑. 2017(09)
[5]石墨烯的分散性及石墨烯水泥基复合材料的研究进展[J]. 王宝民,姜瑞双,赵汝英. 混凝土. 2016(12)
[6]Effect of graphene on mechanical properties of cement mortars[J]. 曹明莉,张会霞,张聪. Journal of Central South University. 2016(04)
[7]氧化石墨烯增强磷酸钙生物水泥[J]. 杨洪,张昊烨,陈新艳. 复合材料学报. 2016(04)
[8]聚乙烯纤维对超高性能混凝土性能的影响[J]. 黄政宇,李操旺,刘永强. 材料导报. 2014(20)
[9]二维碳材料——石墨烯研究进展[J]. 顾正彬,季根华,卢明辉. 南京工业大学学报(自然科学版). 2010(03)
[10]纳米材料晶粒鉴定方法的研究[J]. 吴万国,丁音琴,黄清明. 福州大学学报(自然科学版). 2003(01)
博士论文
[1]氧化石墨烯水泥基材料性能及其应用研究[D]. 刘春燕.西安建筑科技大学 2017
硕士论文
[1]掺入纳米氧化石墨烯水泥基复合材料体积稳定性研究[D]. 曾鞠庆.江苏科技大学 2019
[2]基于分子动力学理论氧化石墨烯增韧水泥基材料的机理研究[D]. 杨铁军.青岛理工大学 2018
[3]矿物质掺合料对混凝土强度和渗透性能的影响研究[D]. 李士洋.哈尔滨工程大学 2018
[4]石墨烯改性水泥材料的制备及其机理研究[D]. 景国建.济南大学 2017
[5]石墨烯纳米微片水泥砂浆复合材料研究[D]. 郝巍.山东大学 2017
[6]石墨烯水性分散及其水泥基复合材料力学性能[D]. 姜瑞双.大连理工大学 2017
[7]掺纳米石墨烯片水泥基复合材料的机敏性研究[D]. 刘衡.武汉理工大学 2015
[8]氧化石墨烯水泥基复合材料性能研究[D]. 杜涛.哈尔滨工业大学 2014
[9]纳米二氧化硅对水泥基材料性能的影响及作用机理研究[D]. 徐庆磊.浙江大学 2013
本文编号：3137114
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3137114.html
