基于氧化石墨烯材料的结构力学性能研究
时间：2023-04-22 18:20:05 来源：千叶帆 本文已影响人
周集权，马军营
（1华北水利水电大学地球科学与工程学院 河南 郑州 450000）
（2华北水利水电大学土木与交通学院 河南 郑州 450000）
随着我国道路工程技术的快速发展，全国公路交通总里程也一直呈增长态势，截至2021年底，我国公路总里程已超出520万公里。在公路建设的材料中，水泥砼仍具有较大的优势，如安全性高、成本低等方面[1]。由于本身的材料特性不易改变，因此在其中掺入一定量的填料，使其具有更加优良的性能，从而实现路面材料性能全面提升。
近年来，氧化石墨烯在我国得到了充分的发展，在许多领域发挥着重要作用，如医疗、教育、军事等。氧化石墨烯的制备通常采用石墨粉和强氧化剂在酸性环境下化学合成，由于氧化石墨烯比石墨烯具有更好的操作性，使其应用范围更加广泛。在路面工程中，氧化石墨烯的研究也引起了各国学者的广泛关注。向路面复合材料中加入氧化石墨烯，将会给工程建设带来显著的应用前景，资源匮乏的问题能够得到缓解，环境污染问题也会减少，其发展前景十分广阔[2]。近年来，对路面材料采用氧化石墨烯材料的研究已成为最为普遍的技术。通过研究氧化石墨烯掺量对其路面的晶体结构、微观形貌和抗冻性能的影响，表明适量的氧化石墨烯加速改性路面材料结构的水化反应，细化了孔结构，提高了密实度[3-6]。本文主要研究掺加不同剂量的氧化石墨烯在不同养护龄期时的路面抗压强度。
1.1 水泥
水泥的品种和用量对路面复合材料的强度起着重要作用，其性能需满足现行的国家标准[7]的要求。本文采用的为普通硅酸盐水泥，标号为P.O 42.5，可用于公路面层设计。水泥物理性能指标测定结果如表1所示，本文选取的水泥各项性能指标均达到了规范的技术要求。
表1 水泥性能测试结果
1.2 集料
在路面性能研究中，粗、细集料在其中起到重要作用。不同的公路等级在不同气候和不同车辆荷载等条件影响下，对集料的强度、抗变形等力学性质有很重要的作用。为方便试验研究使用将混合料所用集料用水洗去除表面杂质后烘干备用。
（1）粗集料
粗集料表面粗糙程度的大小会影响其与水泥砂浆之间的黏结力，当粗集料的表面较为粗糙时，它与胶凝材料之间的作用较好，水泥砂浆与粗集料的胶结力较大。所以粗集料要选择强度高、干净的材料，试验参照规程[8]进行。本实验选用的粗集料是5～10 mm和10～15 mm两档，其技术指标规定如下表2所示。试验结果均符合规范的要求。
表2 粗集料性能测试结果
（2）细集料
细集料要坚硬、洁净并耐久，应含有较少的有害杂质。细集料试验根据规程进行试验，相应技术指标如表3所示，试验结果均满足规范要求。
表3 细集料性能测试结果
1.3 氧化石墨烯
氧化石墨烯（GO）是石墨烯的氧化物，含氧基团的引入使其更加活泼和更易功能化应用，且其较大的比表面积能够有效附着材料，防止团聚。本试验采用的工业级氧化石墨烯由苏州碳丰石墨烯科技生产，基本性能指标如表4所示，扫描电镜形貌图如图1所示。
图1 两种倍数GO电镜图
表4 氧化石墨烯主要性能指标
从图1中可以看出：氧化石墨烯的表面特征较为粗糙，而且在其表面有部分褶皱，具有很大的比表面积，在5 000倍下可看出其为片层结构，其中片层直径在10 nm左右，厚度约1 nm左右，具备纳米材料形貌特征，属于标准的纳米材料。
1.4 试件的制备
对道路结构来说，抗压强度是一项重要的性能指标。掺入氧化石墨烯会对其抗压强度带来一定的影响。抗压强度试件多采用圆柱体、棱柱体、立方体，本次试验采用150 mm×150 mm×150 mm立方体抗压试件，如图2所示。试验方法采用振动碾压成型，进行试验前首先检查试验机与抗压夹具是否可以正常使用，然后将试块放入夹具中并且保证试块光滑面朝上，最后设定参数并启动试验机，待试件破坏后记录数据。根据配合比，配制不同掺量（0.02%、0.04%、0.06%、0.08%）的氧化石墨烯试件拌和物，对掺入氧化石墨烯的试件进行系统的力学性能分析。
图2 立方体试件制备过程
2.1 试验过程
试件养护至规定龄期后，从标准养护室中取出试件并检查试件损毁程度，剔除破坏程度较大的试件。采用华龙WAW-600微机电液伺服试验机进行，按照规范[9]中的试验方法对碾压试件进行抗压强度试验，并计算其抗压强度值，试验过程如图3所示。
图3 抗压强度试验
2.2 试验结果分析
（1）氧化石墨烯掺量对试件抗压强度的影响
将抗压强度试件测试结果进行整理，不同氧化石墨烯掺量下的试件在7 d、28 d的抗压强度结果如图4所示。
图4 氧化石墨烯掺量与抗压强度关系曲线
通过图4分析可知，随着氧化石墨烯所占比例的增加，试件的7 d、28 d无侧限抗压强度都有较大幅度的上升，氧化石墨烯掺量和抗压强度呈非线性变化，未掺氧化石墨烯的材料7～28 d无侧限抗压强度最低，分别为36.9 MPa和43.7 MPa。随着氧化石墨烯在试件中所占比例的增加，两种无侧限抗压强度均出现先上升后降低的趋势，且均在0.06%的掺量下无侧限抗压强度最高，分别为46.8 MPa和52.5 MPa，较未掺加氧化石墨烯的分别提高了20.1～26.8%，当氧化石墨烯掺量增加到0.08%时，无侧限抗压强度出现一定程度的降低，分别较0.06%掺量的试件下降了0.05%和0.04%。
（2）养护龄期对抗压强度的影响
将抗压强度试件测试结果进行整理，抗压强度随不同养护龄期（7 d、28 d、90 d）的变化规律如图5所示。
图5 养护龄期与抗压强度关系曲线
由图5分析可知，随着养护龄期的增长，7～28 d早期增长速率较快，28～90 d的强度增长速率逐渐降低。它们的强度和养生龄期都是呈正相关，而且都呈现先快后慢的态势。当氧化石墨烯掺量为0.02%、0.04%、0.06%、0.08%时，7 d抗压强度分别为36.9 MPa、41.3 MPa、44.1 MPa、46.8 MPa和44.5 MPa，分别达到28 d抗压强度的83.5%、89.4%、88.9%、89.1%和88.5%。28 d抗压强度分别为43.7 MPa、46.2 MPa、49.6 MPa、52.5 MPa和50.3 MPa，分别达到90 d抗压强度的95.8%、96.0%、98.2%、98.1%和98.0%。也进一步验证了随着氧化石墨烯的加入，影响了试件抗压强度的增长，但需要控制氧化石墨烯的掺量[10]。
通过制备不同掺量的氧化石墨烯改性试件，研究氧化石墨烯掺杂量和不同养护龄期对路面复合材料的力学性能影响，得出以下结论：
（1）随着氧化石墨烯掺量的增多，改性路面的无侧限抗压强度均先升高后降低，表明加入氧化石墨烯可以提高路面的抗压强度，且掺量为0.06%时，抗压强度达到最大值，此时试样的力学性能最佳，掺量再持续增加，抗压强度将出现一定程度的下降。
（2）随着养护龄期的增长，不同氧化石墨烯掺量的试件抗压强度和养生龄期都是呈正相关，而且都呈现先快后慢的态势。7～28 d早期增长速率较快，28～90 d的强度增长速率逐渐降低。掺量为0.06%时的28 d抗压强度较7 d抗压强度增长了12.2%，90 d抗压强度较28 d抗压强度增长了1.9%，增长率出现大幅度下降，表明当养护龄期为28 d时，此时的试样的力学性能最佳。
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