氧化石墨烯对混凝土力学性能和耐久性影响的基础研究

Portland cement concrete scores relatively low, especially at severe environments due to its high early-age shrinkage, low ductility and limited tensile strength as well as pro-degradations, which, in turn, cause pre-mature safety and serviceability problems during the service life of civil engineering structures. The newly developed nanotechnology opens up a fresh perspective to solve above-mentioned problems. The proposed project is based on the fundamental research of graphene oxide modified cement base material. Graphene oxide influencing on microstructure and properties of hydrated calcium silicate under microscale & nanoscale as the breakthrough point, it will be obtained that effect of graphene oxide on microstructure of cement base material. Based on the microstructure properties of multi-scale analysis, multi-scale connection between the microstructure and macro properties of graphene oxide modified cement base material will be implemented preliminary. In addition, this outcome of this project will also contribute to the fully understanding of the fundamental mechanisms and principles of the application of nanotechnology in cementitious materials.

硅酸盐水泥混凝土材料由于自收缩大、延展性差、抗拉强度低、严酷环境下性能易劣化等弊病造成土木工程结构在其服役寿命期内的安全性和可使用性不宜保证。纳米科技的飞速发展，几乎促使了材料领域的一场革命，也给混凝土材料的发展带来了机遇。本申请项目基于氧化石墨烯改性水泥基材料的基础研究，从氧化石墨烯在微米纳米尺度上对水化硅酸钙的微观结构及性能影响为切入点，获得氧化石墨烯对水泥基材料微观结构规律，进行基于微观结构性能的多尺度分析，初步实现氧化石墨烯改性的水泥基材料的微观结构与宏观性能的多尺度的联系。此外，本研究的成果也为纳米材料改性水泥基材料的微观结构和宏观性能的基础研究和工程应用提供有价值的思路和可靠的理论指导。

大幅改善普通水泥基材料的韧性、提高其在特殊环境下的耐久性、赋予其特殊工程应用所需的功能性等课题已是近年来水泥基材料研究领域的核心方向。微米及纳米尺度的水化硅酸钙是硅酸盐水泥最主要的水化产物之一，其对水泥基材的宏观力学性能和耐久性能起着决定性作用。二维纳米材料在平面上是微米尺度,而在竖直方向上却拥有纳米尺度。优良的双尺度性质使二维纳米材料能够将微米与纳米尺度的性能有效连接起来。可以预期，二维的氧化石墨烯在水泥基材料中更容易影响水泥水化产物成核及改变材料微观结构的作用，从而提高水泥基材料的力学性能和耐久性。为了解决氧化石墨烯在碱性环境中再团聚的问题，本项目研究了聚羧酸减水剂对氧化石墨烯在碱性环境中的分散效果，并证明了氧化石墨烯再团聚的机理。经过测试发现氧化石墨烯对水泥基材料的力学性能有显著的改善，本项目利用核磁共振技术证实了氧化石墨烯对水泥基材料力学性能的提升主要是由于水泥水化的促进作用，并非氧化石墨烯改变了水化硅酸钙的微观结构。