石墨烯水泥基複合材料性能及機理研究

《石墨烯水泥基複合材料性能及機理研究》是依託大連理工大學,由王寶民擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯水泥基複合材料性能及機理研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王寶民

項目摘要

石墨烯是一種由碳原子經sp2雜化而成的只有一個碳原子厚度的新型二維納米材料，它具有優越的力學、熱學和電學性能，是綜合性能最好的納米材料。石墨烯水泥基複合材料預期具備優異的強度、韌性、耐久性及導電等性能。通過研究其基本物理力學性能、韌性和水化特性等性能指標及微觀結構與巨觀性能的關係，對於拓展石墨烯水泥基複合材料的工程套用範圍具有重要意義。本課題通過研究石墨烯的物理、化學等功能化分散技術，提高其在懸浮液及水泥基複合材料中的分散均勻性；通過研究石墨烯水泥基複合材料的綜合性能指標，掌握其工程套用特性和規律，提出適合於石墨烯水泥基複合材料的性能評價方法和綜合評價指標體系，並確定其工程適用範圍；通過微觀測試分析，研究石墨烯提高水泥基複合材料性能的微觀效應和作用機理，研究其性能劣化過程的失效機制，為其工程套用及深入研究提供基礎理論支撐，亦為進一步最佳化石墨烯水泥基複合材料的製備技術提供指導。

結題摘要

石墨烯（GPs）具有良好的導電、力學等特性，同時石墨烯水泥基複合材料（GPs/CC）也具備優異的高強、高耐久性等性能。本課題系統研究了不同分散劑對GPs的分散效果、GPs/CC的力學性能、耐久性能以及自收縮性能，碳納米管（MWNTs）和納米碳纖維(CNFs)的分散性能及其水泥基複合材料的自收縮性能（拓展研究，與石墨烯比較），研究了GPs對水泥基複合材料水化性能的影響以及微觀作用機理。GPs的分散性研究成果表明：復摻時PVP+CTAB對石墨烯的分散效果好於單摻PVP，但卻低於CTAB單摻對石墨烯的分散效果，石墨烯與CTAB的最佳配合比是1:3。最佳分散劑為聚氧代乙烯壬基苯基醚（CO890），CO890與石墨烯的質量比為5:1，最優超聲功率為360 W，最小超聲時間為20 min。GPs/CC的力學性能和耐久性能研究成果表明：①隨石墨烯摻量的增加，石墨烯水泥淨漿複合材料的力學強度呈先增大後減小趨勢。摻加0.05 wt%的石墨烯水泥淨漿力學強度最高，抗壓強度、抗折強度、彎曲韌性和斷裂點位移分別提高了25.2%、3.7%、55.9%和52.1%。石墨烯摻量為0.05 wt%，水泥砂漿28 d抗折強度和抗壓強度分別提高了24.0%和13.6%；摻量為0.08 wt%時，石墨烯水泥砂漿的彎曲韌性、斷裂點位移和極限荷載力分別提高77.6%、58.9%和39.3%。②石墨烯的摻入可以提高水泥基複合材料的抗氯離子滲透性和硫酸鹽侵蝕性。在水灰比為0.25、0.30和0.35時，石墨烯的最佳摻量分別為0.02%、0.02%和0.10%，此時水泥淨漿的氯離子遷移係數達到最小值，氯離子遷移係數分別降低了5.63%、42%和37%。石墨烯摻量為0.05%時，石墨烯水泥砂漿的耐蝕係數最好；碳納米材料對水泥基複合材料的自收縮性能影響結果表明：摻入碳納米材料，可以填充水泥基體中的孔隙，降低基體孔隙率；嵌入基體中的多壁碳納米管和納米碳纖維被拉出時，緩解自收縮應力，石墨烯能夠延長裂縫擴展路徑，有效吸收和分散能量荷載，從而改善水泥基體的自收縮性能； 水化性能及微觀作用機理研究表明：石墨烯的加入能促進水泥水化，降低孔隙率，改善基體的抗滲性；當基體發生侵蝕時石墨烯的包裹效應以及橋聯效應能夠阻止離子的遷移與擴散；石墨烯的橋聯作用，能阻止裂縫發展。