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氧化石墨烯水泥基復合材料:制備、性能及機理 版權信息
- ISBN：9787030722904
- 條形碼：9787030722904 ; 978-7-03-072290-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
氧化石墨烯水泥基復合材料:制備、性能及機理 本書特色
本書提出了高性能氧化石墨烯水泥基復合材料制備方法，對未來納米水泥基復合材料應用于嚴酷環境下重大基礎設施建設，提高建筑工程質量，延長結構服役壽命，具有重要參考價值。
氧化石墨烯水泥基復合材料:制備、性能及機理 內容簡介
本書基于二維納米材料氧化石墨烯在水泥基材料中的分散關鍵技術的研究，闡明了氧化石墨烯對水泥基材料水化進程及水化產物的改性機制，并通過系統的實驗設計及機理揭示，針對氧化石墨烯水泥基復合材料的流變性能、力學性能、微觀結構性能、耐久性能、功能化特性等使用性能調控進行了深入的研究，提出了高性能氧化石墨烯水泥基復合材料制備方法，對未來納米水泥基復合材料應用于嚴酷環境下重大基礎設施建設，提高建筑工程質量，延長結構服役壽命，具有重要參考價值。
本書可作為高性能水泥基復合材料相關領域的研究人員，以及高等院校土木工程和建筑材料專業研究生的參考用書。
氧化石墨烯水泥基復合材料:制備、性能及機理 目錄
目錄
前言
縮寫表
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 納米材料增強水泥基復合材料 2
1.2.1 不同維度納米材料增強水泥基復合材料 2
1.2.2 納米材料在水泥基材料中的分散性能 5
1.3 氧化石墨烯增強水泥基復合材料研究進展 7
1.3.1 二維納米氧化石墨烯材料特性 7
1.3.2 氧化石墨烯增強水泥基復合材料水化及微觀結構性能研究進展 10
1.3.3 氧化石墨烯增強水泥基復合材料耐久性能研究進展 11
1.4 小結 12
參考文獻 12
第2章 氧化石墨烯的制備、表征及分散 16
2.1 試驗方案 17
2.1.1 原材料 17
2.1.2 GO的制備 18
2.1.3 GO的表征 19
2.1.4 GO的分散 24
2.2 小結 34
參考文獻 34
第3章 氧化石墨烯水泥基復合材料流變性能研究 37
3.1 試驗方案 37
3.2 氧化石墨烯水泥基復合材料流變性能影響 38
3.2.1 GO-水泥凈漿流動性能研究 38
3.2.2 GO-再生砂漿流動性能研究 39
3.2.3 GO摻量對水泥漿體流變性能及流變模型的影響 40
3.2.4 GO摻量對水泥漿體觸變性能的影響 42
3.3 不同分散劑對氧化石墨烯水泥基復合材料流變性能影響 43
3.3.1 不同分散劑對GO-水泥漿體流變性能及流變模型的影響 43
3.3.2 不同分散劑對GO-水泥漿體觸變性能的影響 43
3.4 小結 45
參考文獻 45
第4章 氧化石墨烯水泥基復合材料力學及微觀性能研究 47
4.1 試驗方案 47
4.2 氧化石墨烯增強水泥基復合材料力學性能 49
4.2.1 GO增強水泥凈漿力學性能 49
4.2.2 GO增強水泥砂漿力學性能 51
4.2.3 GO增強混凝土力學性能 52
4.2.4 GO增強再生骨料水泥基復合材料力學性能 53
4.3 氧化石墨烯增強水泥基復合材料微觀性能 56
4.3.1 GO增強水泥基復合材料孔結構分析 57
4.3.2 GO增強水泥基復合材料SEM/EDS分析 57
4.3.3 基于納米壓痕的水化產物分析 66
4.3.4 GO增強水泥基復合材料XRD分析 70
4.3.5 GO增強水泥基復合材料TGA 71
4.4 小結 72
參考文獻 73
第5章 氧化石墨烯水泥基復合材料耐久性能研究 75
5.1 GO復合OPC氯離子固化性能研究 77
5.1.1 材料準備以及試塊制備 77
5.1.2 試驗方案 79
5.1.3 GO對OPC氯離子固化性能的影響 82
5.1.4 GO增強OPC氯離子固化性能機理 89
5.1.5 GO對OPC氯離子固化穩定性的影響 90
5.1.6 GO增強OPC氯離子固化穩定性機理 94
5.2 GO復合OPC抗碳化性能研究 95
5.2.1 試驗方案 95
5.2.2 碳化試驗試塊制備 96
5.2.3 碳化試驗測試方法及參數 96
5.2.4 GO增強OPC抗碳化性能機理 98
5.3 GO復合OPC抗溶蝕性性能研究 107
5.3.1 試驗方案 107
5.3.2 試驗試塊制備 108
5.3.3 GO對OPC抗溶蝕性能影響 109
5.3.4 GO增強OPC抗溶蝕性能機理 110
5.4 小結 123
參考文獻 123
第6章 二維納米水泥基復合材料功能性研究 127
6.1 氧化石墨烯水泥基復合材料結構-電磁屏蔽功能一體化研究 127
6.1.1 材料特性 130
6.1.2 試驗方案 130
6.1.3 GO-廢棄CRT玻璃水泥砂漿表觀密度結果分析 134
6.1.4 氧化石墨烯增強廢棄CRT玻璃水泥基復合材料電磁屏蔽性能機理 137
6.2 還原氧化石墨烯水泥基復合材料結構-保溫功能一體化研究 147
6.2.1 材料特性 150
6.2.2 試驗方案 152
6.2.3 EPS對堿礦渣復合材料的物理性能影響研究 154
6.2.4 EPS對堿礦渣復合材料保溫性能影響研究 160
6.2.5 rGO-EPS堿礦渣復合材料物理性能研究 165
6.2.6 rGO-EPS堿礦渣復合材料保溫性能研究 170
6.2.7 rGO增強EPS堿礦渣復合材料結構-保溫一體化的反應機理分析 176
6.2.8 全生命周期評估 179
6.3 小結 187
參考文獻 188
彩圖
前言
縮寫表
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 納米材料增強水泥基復合材料 2
1.2.1 不同維度納米材料增強水泥基復合材料 2
1.2.2 納米材料在水泥基材料中的分散性能 5
1.3 氧化石墨烯增強水泥基復合材料研究進展 7
1.3.1 二維納米氧化石墨烯材料特性 7
1.3.2 氧化石墨烯增強水泥基復合材料水化及微觀結構性能研究進展 10
1.3.3 氧化石墨烯增強水泥基復合材料耐久性能研究進展 11
1.4 小結 12
參考文獻 12
第2章 氧化石墨烯的制備、表征及分散 16
2.1 試驗方案 17
2.1.1 原材料 17
2.1.2 GO的制備 18
2.1.3 GO的表征 19
2.1.4 GO的分散 24
2.2 小結 34
參考文獻 34
第3章 氧化石墨烯水泥基復合材料流變性能研究 37
3.1 試驗方案 37
3.2 氧化石墨烯水泥基復合材料流變性能影響 38
3.2.1 GO-水泥凈漿流動性能研究 38
3.2.2 GO-再生砂漿流動性能研究 39
3.2.3 GO摻量對水泥漿體流變性能及流變模型的影響 40
3.2.4 GO摻量對水泥漿體觸變性能的影響 42
3.3 不同分散劑對氧化石墨烯水泥基復合材料流變性能影響 43
3.3.1 不同分散劑對GO-水泥漿體流變性能及流變模型的影響 43
3.3.2 不同分散劑對GO-水泥漿體觸變性能的影響 43
3.4 小結 45
參考文獻 45
第4章 氧化石墨烯水泥基復合材料力學及微觀性能研究 47
4.1 試驗方案 47
4.2 氧化石墨烯增強水泥基復合材料力學性能 49
4.2.1 GO增強水泥凈漿力學性能 49
4.2.2 GO增強水泥砂漿力學性能 51
4.2.3 GO增強混凝土力學性能 52
4.2.4 GO增強再生骨料水泥基復合材料力學性能 53
4.3 氧化石墨烯增強水泥基復合材料微觀性能 56
4.3.1 GO增強水泥基復合材料孔結構分析 57
4.3.2 GO增強水泥基復合材料SEM/EDS分析 57
4.3.3 基于納米壓痕的水化產物分析 66
4.3.4 GO增強水泥基復合材料XRD分析 70
4.3.5 GO增強水泥基復合材料TGA 71
4.4 小結 72
參考文獻 73
第5章 氧化石墨烯水泥基復合材料耐久性能研究 75
5.1 GO復合OPC氯離子固化性能研究 77
5.1.1 材料準備以及試塊制備 77
5.1.2 試驗方案 79
5.1.3 GO對OPC氯離子固化性能的影響 82
5.1.4 GO增強OPC氯離子固化性能機理 89
5.1.5 GO對OPC氯離子固化穩定性的影響 90
5.1.6 GO增強OPC氯離子固化穩定性機理 94
5.2 GO復合OPC抗碳化性能研究 95
5.2.1 試驗方案 95
5.2.2 碳化試驗試塊制備 96
5.2.3 碳化試驗測試方法及參數 96
5.2.4 GO增強OPC抗碳化性能機理 98
5.3 GO復合OPC抗溶蝕性性能研究 107
5.3.1 試驗方案 107
5.3.2 試驗試塊制備 108
5.3.3 GO對OPC抗溶蝕性能影響 109
5.3.4 GO增強OPC抗溶蝕性能機理 110
5.4 小結 123
參考文獻 123
第6章 二維納米水泥基復合材料功能性研究 127
6.1 氧化石墨烯水泥基復合材料結構-電磁屏蔽功能一體化研究 127
6.1.1 材料特性 130
6.1.2 試驗方案 130
6.1.3 GO-廢棄CRT玻璃水泥砂漿表觀密度結果分析 134
6.1.4 氧化石墨烯增強廢棄CRT玻璃水泥基復合材料電磁屏蔽性能機理 137
6.2 還原氧化石墨烯水泥基復合材料結構-保溫功能一體化研究 147
6.2.1 材料特性 150
6.2.2 試驗方案 152
6.2.3 EPS對堿礦渣復合材料的物理性能影響研究 154
6.2.4 EPS對堿礦渣復合材料保溫性能影響研究 160
6.2.5 rGO-EPS堿礦渣復合材料物理性能研究 165
6.2.6 rGO-EPS堿礦渣復合材料保溫性能研究 170
6.2.7 rGO增強EPS堿礦渣復合材料結構-保溫一體化的反應機理分析 176
6.2.8 全生命周期評估 179
6.3 小結 187
參考文獻 188
彩圖
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氧化石墨烯水泥基復合材料:制備、性能及機理 節選
第1章 緒論 1.1 引言 混凝土因其價格便宜、取材便利及擁有較為優秀的服役性能，是土木工程建設中使用*廣泛的水泥基復合材料，但傳統混凝土一直存在自重大、抗拉強度低、易開裂、耐久性差等問題。我國正處于城鎮化快速發展階段，以混凝土結構為主的房屋建筑和基礎設施建設規模日益增大，普通混凝土的性能已經不能滿足人們對于現代結構工程的要求，高性能化已經成為水泥基復合材料的發展趨勢。高性能水泥基復合材料的推廣應用對提高工程質量，降低工程全壽命周期的綜合成本，發展循環經濟，促進技術進步，推進混凝土行業結構調整具有重大意義。 混凝土是一種具有納米結構的多相復合材料，包含了從納米級到微米級尺寸的無定形晶體和結晶水。其性質和力學性能的變化都存在和發生于多尺度范圍內（從納米級、微米級到毫米級），每一個尺寸上的結構特性都源于更小一級尺寸上的結構特性。普通水泥本身的顆粒粒徑通常在1～80μm，但其水化硬化后約有70%的水化產物—水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠的尺寸在納米級范圍，即水泥硬化漿體實際上是主要由水化硅酸鈣凝膠凝聚而成的初級納米材料。隨著水化的進行，不同水化產物的量在改變，結構復雜性從納米級（水化相的凝膠結構）到微米級（水泥顆粒尺寸），并且延伸到毫米級（混凝土中集料的尺寸）。近年來，國內外眾多科研及工程技術人員發現納米材料（納米二氧化硅、納米二氧化鈦、碳納米管及氧化石墨烯等）基于其小尺寸效應、表面效應等優異特性，應用于水泥基材料中可顯著改善水泥基材料的微觀、力學性能及耐久性能，在納微觀尺度增強水泥基復合材料性能，較少摻量即可實現其高性能化，進而可延長材料使用壽命，降低結構長期維護成本。 隨著可持續智慧城市發展需求的不斷擴張，智能建筑的發展成為人類發展進程無法回避的一大重要主題。傳統水泥基材料功能單一，無法滿足復雜的工程需求。現代建筑的智能化進程對水泥基材料的發展提出了新挑戰，除了滿足高強度、高耐久性等基本結構材料要求，還需要其具有多樣化的功能特性，如保溫、耐火、自感應、自清潔、自修復等（圖1-1展示了多功能石墨烯增強水泥基復合材料的應用前景），以推動建筑的多功能化發展，實現現代建筑的智慧化轉型，布局智慧城市建設。當材料的尺寸減小到納米級，將導致其聲、光、電、磁、熱性能呈現新的特性。納米水泥基復合材料不僅可增強材料結構的使用性能，更有潛力賦予建筑材料獨*的功能特性。 圖1-1 多功能石墨烯增強水泥基復合材料的應用前景 納米技術在水泥基材料領域的滲透，打破了傳統混凝土的局限，極大地擴展了混凝土材料的應用領域，在高性能水泥基復合材料領域中具有重要的科研價值及廣闊的應用前景。 1.2 納米材料增強水泥基復合材料 1.2.1 不同維度納米材料增強水泥基復合材料 納米材料具有粒徑小（1～100nm）、比表面積大、表面能高等特點，作為摻合料能在納微觀尺度增強水泥水化及微觀孔隙結構，改善水泥基復合材料的性能[14]。目前納米材料應用于混凝土中的研究主要集中在：納米材料在水泥漿體中均勻分散方法研究，納米材料改性水泥水化進程的納米級描述及表征研究，納米材料改善孔隙結構多尺度表征及機理研究，納米材料增強水泥基復合材料在嚴酷環境下耐久性能的研究及擁有特殊功能特性的納米水泥基復合材料研究，等等。不同物理組成結構、化學組成成分的納米材料，對水泥基復合材料的性能影響也大不相同，尤其是納米材料的尺寸維度，對其在水泥基材料中的分散及改性作用影響比較大。 納米材料在水泥基材料中的應用經歷了從零維到三維的過程。納米SiO2（NS）、納米CaCO3（NC）等具有原子簇和原子束結構的稱為零維納米材料，是較早應用于水泥基材料中的納米材料，而NC是目前使用*廣泛的也是*廉價的納米材料之一，其價格僅為NS的1/10左右。這類納米礦粉表面能高，表面缺陷多，易與水泥石中的水化產物產生化學鍵合，C-S-H凝膠可在NS和NC表面形成鍵合；鈣釩石可在NC表面生成；氫氧化鈣（CH）更多地在NS表面形成鍵合，并生成C-S-H凝膠。這樣使得水泥硬化漿體在原有網絡結構的基礎上又建立了一個新的網絡，可大大提高水泥硬化漿體的物理力學性能和耐久性。納米礦粉與礦物摻合料混摻入水泥基材料中還可促進礦物摻合料的火山灰活性。NS與C-S-H凝膠鍵合形成成核位點，可減少C-S-H在水泥基孔隙中的屏障作用，使CH更易在粉煤灰周圍聚集，從而促進CH與粉煤灰的火山灰反應。此外，納米礦粉還能有效地填充10～100nm的納米級微小孔隙。由于這類納米礦粉多數是晶態的，它們的摻入提高了水泥石中的晶膠比，可降低水泥石的徐變。總之，納米礦粉不但可以填充水泥的空隙，更重要的是可以改善混凝土中水泥石與骨料的界面結構，使混凝土強度、抗滲性與耐久性均得以提高。當納米材料的添加量為水泥用量的1%～3%時，制備的納米水泥基復合材料在7d和28d齡期的水泥硬化強度比未添加納米材料的對照組提高約50%，且韌性、耐久性等性能也得到較大的改善。 繼NS、NC之后，具有纖維結構的碳纖維及碳納米管由于其獨*的一維結構也被應用在水泥基材料中，二者作為增強材料在水泥基材料中能起“中介”的作用，在微觀層面上將局部的應力傳遞到細觀層面上，從而有效抑制水泥基材料納米級裂縫發展成微裂縫。此外，碳納米管摻入水泥基材料中也可作為水化產物的成核位點，促進CH的早期形成，調整高硬度及低硬度的C-S-H凝膠的比例，從而提高水泥基材料的力學性能。圖1-2展示了一種在水泥顆粒表面直接生長碳納米管的復合材料制備方法。使用此方法制備的碳納米管水泥基復合材料28d抗壓強度提高了100%（從25MPa提升到了50MPa），并且電阻率顯著降低（從9.7MΩ cm降低至1.3MΩ cm）。然而，30%的試樣7d抗壓強度降低超過100%（24MPa相比于對照組的49MPa）。值得注意的是，7d與28d試樣的合成條件并不相同，用此方法制備的碳納米管水泥基復合材料穩定性需要進一步改善。 圖1-2 一種在水泥顆粒表面直接生長碳納米管的復合材料制備方法 與零維、一維的納米材料相比，二維的多層片狀納米石墨烯及其衍生物（GO、rGO、GNPs等）同時兼具長寬比高、與水泥基質的接觸性能好的特點。其中GO基于其獨*的層狀結構及表面富含含氧官能團，擁有更好的親水性，能更好地在水泥基材料中分散，在水泥基材料中可促進形成水化晶體生長點，控制水化晶體生長形成的模板，促進花狀晶體和多面晶體結構在孔隙中形成，從而有效調控水泥基材料硬化后的晶體形貌及孔隙大小分布，使水泥基材料的強度、韌性及耐久性均得到更加明顯的提高。 硬化混凝土的孔隙性能顯著影響其力學性能、耐久性及體積穩定性，而納米材料基于其納米級尺寸的特點及其對混凝土微觀結構的改善，摻入混凝土中通常有填充孔隙、調節孔隙大小分布的效果。除零維球狀結構NS、NC等納米材料的物理、化學填充作用外，根據研究，二維納米材料能有效降低水泥基復合材料的平均孔隙直徑及臨界孔隙直徑，調控水泥水化物的形貌結構。二維納米材料作為摻合料在明顯降低水泥基復合材料孔隙率的條件下，還能促進其形成大量的納微觀小孔，對水泥水化物的形貌結構調控作用大。同時，研究發現更薄尺寸的二維納米材料擁有更好的分散性能，并能大幅提升其增強水泥基復合材料力學性能的效果：通過球磨法將二維納米材料尺寸從900nm寬和14nm厚減小至100nm寬和3nm厚，1%水泥比重摻量的二維納米材料對水泥基復合材料力學性能的提升效果*大可增加86%。圖1-3展示了更薄尺寸二維納米材料氧化石墨烯增強水泥基復合材料力學性能效果更好的可能性機理解釋。 圖1-3 氧化石墨烯厚度對水泥水化產物影響機理圖 1.2.2 納米材料在水泥基材料中的分散性能 盡管眾多研究都表明納米材料對于水泥基材料多方面的性能有提高作用，人們也成功地配制出了性能良好的納米水泥基復合材料，但是想穩定制得低成本及具有可靠性能的納米水泥基復合材料仍然存在著巨大的挑戰，尤其是納米材料在水泥漿體中的分散及團聚問題，嚴重制約納米水泥基復合材料的各項性能及納米增強效率。 納米材料巨大的比表面積將使得水泥的拌和用水量增加，這種現象在碳基納米材料中更為顯著。研究表明盡管零維NS的摻入促進了水泥的水化，同時砂子與水泥基的過渡界面得到改善，還能填充孔隙使得基體更加密實，但是NS的摻入使砂漿的流動度降低，工作性能變差。Wang等研究了一維碳納米管在水溶液、堿性溶液及水泥懸浮液中的分散情況，碳納米管在水溶液中的均勻分散并不等于其在水泥漿體中的均勻分散。水泥水化時的高堿性、多離子環境使得納米材料發生變化，產生團聚。Noorvand等研究了二維GO對水泥凈漿流變性能的影響，結果表明添加GO的水泥漿體流動度降低，塑性黏度和屈服應力均增大。GO表面的含氧官能團使得水泥顆粒不穩定，加速水泥的水化及絮凝速度。同時GO自身表面能大，不穩定，極易發生團聚現象。 因此，納米材料在水泥基材料中的分散效果是影響其改性機理和作用效果的關鍵因素，通常其摻入水泥基材料中均存在分散問題，而納米材料的分散性與其自身結構特點相關。對于零維球形結構的納米材料，一般認為其比表面積大、表面能高是其在水泥基材料中分散性差的原因。碳基納米材料包括一維線狀的碳纖維及碳納米管、二維多層納米片狀的石墨烯，基于其結構特點，在水泥基材料中更易發生團聚。此外，相關研究表明，即使納米材料已經進行分散處理，其在pH較高的孔隙液中易再次發生團聚。目前，用于提高納米材料在水泥基材料中分散性的方法通常結合化學方法及物理方法，物理方法主要包括超聲處理法、球磨研磨法、高剪切混合法，而化學方法則通常使用聚羧酸系高效減水劑、強氧化劑對納米材料進行表面活化或表面改性，如圖1-4所
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