氧化石墨烯水泥基砂浆的性能研究-毕业设计.docxVIP

摘 要 水泥基砂浆是目前用量最大的传统建筑材料之一，在道路、桥梁和水利等工程有着广泛的应用。然而水泥基砂浆有着抗裂性能差、抗弯强度低等弱点，这些特性限制了水泥基砂浆的发展。氧化石墨烯是是石墨烯的氧化产物，其优异的力学性能使其在提高水泥基材料的性能方面引起了广泛的关注。由于其可以参与水泥的水化反应，以改进水泥基材料的微观结构，增强其力学、工作等性能。 本文对氧化石墨烯的结构、制备方法、及其它性能等进行综述研究；采用超声分散法，对氧化石墨烯粉末进行分散，制备水泥基砂浆，并通过实验研究氧化石墨烯对水泥基砂浆的力学、工作性能的影响；最后对氧化石墨烯水泥基砂浆的发展进行展望。 研究表明：（1）氧化石墨烯具有优异的性能，在光学、储能等领域都有应用，适量的氧化石墨烯能够促进水泥的水化反应，并改善水泥基材料的微观结构；（2）氧化石墨烯能够增强水泥基砂浆的其他性能，当掺量为0.03%时，其抗拉强度可提高20.3%。实验表明：（1）采用聚羧酸减水剂能够使氧化石墨烯更均匀地分散在水溶液当中；（2）适量的氧化石墨烯能提高水泥基砂浆的力学性能，掺量为0.02%时，其7d抗折可提高8.5%，掺量为0.04%7d抗压可提高10%，掺量为0.06%时，其28d折压强度可提高10%，掺量为0.08%时，其28d抗压强度可提高5.8%，但对工作性能有一定的影响，砂浆稠度值最高下降了23.9%，最低下降了15.7%。其凝结时间也相对缩短，不掺氧化石墨烯其凝结时间为307min，掺量为0.08%时，其凝结时间为217min。 关键词：氧化石墨烯；砂浆；力学性能 第1章 绪论 1.1氧化石墨烯 1.1.1氧化石墨烯的基本概述 氧化石墨烯是一种二维纳米材料，其多数以石墨为原料，经过氧化后，在其片层上引入-OH、-COOH及-O-等含氧官能团而形成的石墨氧化物[1]。氧化石墨烯在市场上常见的产品主要有粉末状、片状和溶液状的。氧化石墨烯可作为一种非传统形态的软性材料，其具有聚合物、薄膜、胶体，和两性分子的特性。因其在水中有优越的分散性，所以，氧化石墨烯一直以来被视作亲水物质。 氧化石墨烯的原子层是单一的，可随时在横向尺寸上扩展到数十微米，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。其结构如图1-1所示，在整个基面，当碳原子连接上羟基之后，其结构会变形，所以氧化石墨烯的平面容易发生部分褶皱。通过氧化后，其表面上含氧官能团的增加能够使性质较石墨烯更加活泼，使氧化石墨烯具有较强的亲水性从而能够较好的分散于水溶液当中[1]。由于氧化石墨烯是从氧化石墨上剥离的单层材料，其表面及边缘上的大量含氧基团可以引入[2]，破坏了石墨烯片层内的共轭建，使得氧化石墨烯的导电能力显著的下降，因此在很大程度上约束了氧化石墨烯在导电方面的应用于发展[1]。 图1-1氧化石墨烯结构示意图 从AFM表征看，单层氧化石墨烯的厚度在十分之一厘米左右。其厚度的增加主要有含氧基团和吸附的水分子引起的。经过多年的研究，氧化石墨烯的化学结构仍存在争议，这种情况的出现原因有很多方面，其主要原因是材料本身就具有复杂性、缺乏精细的分析与表征技术等。纵然如此，关于氧化石墨烯的模型探讨依旧在不断的完善与更新。氧化石墨烯的早期模型是以重复单元组成的周期性结构，而目前普遍认可的氧化石墨烯是有Lerf和Klinowski共同提出的非化学计量比模型[2]。 1.1.2氧化石墨烯的制备工艺 氧化石墨烯的工艺制备方法主要有三种。其中常用的是Hummers法，因为其制备过程的时效性相对较好且制备过程中也比较安全。它采用浓硫酸中的高锰酸钾与石墨粉末经过氧化反应后，得到在边缘有衍生羧酸基和在平面上主要是酚羟基和环氧基团的石墨薄片，它可以通过超声或高剪切剧烈搅拌剥离为氧化石墨烯，在水中形成稳定、浅棕黄色的单层氧化石墨烯悬浮液。由于其共轭网络受到官能化，氧化石墨烯薄片具有绝缘的特质。经过还原处理部分可进行还原，得到化学修饰的石墨烯薄片。最后得到的都具有较多的缺陷，使其导电性不如原始的石墨烯，但这个过程可以有效地让不可溶的石墨粉末在水中变得可加工，提供制作还原氧化石墨烯的途径[3]。 Standenmaier法，用浓硫酸和发烟浓硝酸处理石墨，然后将氯酸钾作为氧化剂加入反应中，在反应过程中温度维持在0℃。此方法氧化程度较低，反应时间较慢，还需进行多次氧化处理，且在反应过程中容易产生有毒气体，而且氯酸钾容易发生爆炸。 Brodie法，以氯酸钾作为氧化剂，用浓硝酸处理石墨，先将反应的温度维持在0℃一段时间，在一直搅拌的情况下温度升至60℃-80℃之间反应20h以上，此方法得到的氧化石墨烯结构规整，氧化程度可控，但也会产生较多的有毒气体，容易发生爆炸，有一定的危险性。 1.1.3氧化石墨烯的应用 在制备石墨烯过程中产生的一种重要的衍生物就是