功能化氧化石墨烯的制备及其在硅酸盐水泥中的应用

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2022-0525

摘要/Abstract

摘要：

纳米材料与水泥之间的黏结强度较差，有可能导致增强效果不理想。氧化石墨烯（GO）虽然含有很多氧基官能团，但是在强碱性环境中极度不稳定。用新的功能化方法制备了一种功能化氧化石墨烯（FGO），并将GO和FGO分别掺入水泥净浆制备了水泥复合硬化浆体。采用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、X射线光电子能谱仪（XPS）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）分析了纳米材料的黏结性和模拟孔隙溶液稳定性。结果表明，FGO的功能层由（3-氨丙基）三乙氧基硅烷（APTES）和无定形SiO₂组成，在强碱性环境中保护GO基面不被还原，并参与水泥水化过程，形成牢固可靠的黏结体。与普通水泥相比，质量分数为0.1%的FGO可使水泥硬化浆体的28 d抗折和抗压强度分别提高24.73%和55.28%。FGO在水泥浆料中具有良好的分散性，细化了水泥孔隙结构，最终提高了水泥复合材料的力学性能。

关键词: 功能化氧化石墨烯, 水泥, 碱性环境, 模拟孔隙溶液, 分散

Abstract:

Poor bonding strength between nanomaterials and cement composites inevitably lead to the failure of reinforcement.Graphene oxide（GO） possesses large amounts of oxygen functional groups，but shows highly unstable in the strongly alkaline environment.In this study，a novel functionalization method for the fabrication of functionalized GO（FGO） was explored and GO and FGO cement based composites were prepared.Fourier transform-infrared spectroscopy （FT-IR），X-ray photoelectron spectrometer（XPS），scanning electron microscope（SEM） and transmission electron microscope（TEM） were used to analyze the bonding properties and the stability of nanomaterials in simulated pore solution.The results showed that the functionalized layer of FGO were composed of（3-aminopropyl） triethoxysilane（APTES） and amorphous SiO₂，which could protect the GO basal plane from reduction in the strongly alkaline environment and participate in the cement hydration process to form strong and reliable bonding.Compared with plain cement，0.1%FGO could increase the 28 d flexural and compressive strength of hardened cement paste by 24.73% and 55.28%，respectively.FGO exhibited a greater dispersibility，refined pore structure in cement paste，and finally improved the mechanical properties of cement composites.

Key words: functionalized graphene oxide, cement, alkaline environment, simulated pore solution, dispersion

中图分类号:

TQ127.1

李波, 廖碧海. 功能化氧化石墨烯的制备及其在硅酸盐水泥中的应用[J]. 无机盐工业, 2023, 55(6): 57-62.

LI Bo, LIAO Bihai. Preparation of functionalized graphene oxide and its application in portland cement[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2023, 55(6): 57-62.

图/表 8

表1

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图6

参考文献 18

1	蓝邦，丘林燕，幸志伟.硅酸盐水泥强度增强添加剂的研究进展［J］.无机盐工业，2015，47（11）：15-19.
	LAN Bang， QIU Linyan， XING Zhiwei.Research progress in additives for strength reinforcement of Portland cement［J］.Inorganic Chemicals Industry，2015，47（11）：15-19.
2	张继旭，王文广，李金权，等.碳纳米管水泥基复合材料的研究进展［J］.硅酸盐通报，2021，40（3）：714-722.
	ZHANG Jixu， WANG Wenguang， LI Jinquan，et al.Research progress of carbon nanotubes cement-based composites［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2021，40（3）：714-722.
3	叶家元，张文生.纳米改性碱激发胶凝材料的研究进展［J］.硅酸盐学报，2020，48（8）：1263-1277.
	YE Jiayuan， ZHANG Wensheng.Research progress on nano-modified alkali-activated cementitious materials［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2020，48（8）：1263-1277.
4	张迪，梁颖晶.氧化石墨烯对水泥宏观力学性能及水化进程的影响研究［J］.混凝土，2019（12）：37-41，48.
	ZHANG Di， LIANG Yingjing.Effect of graphene oxide on macro mechanical properties and hydration process of cement［J］.Concrete，2019（12）：37-41，48.
5	刘宁，王初生.纳米纤维路面混凝土配合比及耐久性实验研究［J］.无机盐工业，2020，52（10）：96-99.
	LIU Ning， WANG Chusheng.Experimental study on mix proportion and durability of nano fiber pavement concrete［J］.Inorganic Chemicals Industry，2020，52（10）：96-99.
6	WU Kai， HAN Hao， XU Linglin，et al.Supported ITZ modification efficiencies via surface coating nanoparticles on aggregate and its influence on properties［J］.Materials，2019，12（21）：3541.
7	RAMEZANI M， DEHGHANI A， SHERIF M M.Carbon nanotube reinforced cementitious composites：A comprehensive review［J］.Construction and Building Materials，2022，315：125100.
8	XIONG Zixin， ZHONG Lei， WANG Haotian，et al.Structural defects，mechanical behaviors，and properties of two-dimensional materials［J］.Materials，2021，14（5）：1192.
9	MENG Shaoqiang， OUYANG Xiaowei， FU Jiyang，et al.The role of graphene/graphene oxide in cement hydration［J］.Nanotechnology Reviews，2021，10（1）：768-778.
10	XU Gang， DU Sen， HE Jialuo，et al.The role of admixed graphene oxide in a cement hydration system［J］.Carbon，2019，148：141-150.
11	WANG Nan， WANG Shuping， TANG Luping，et al.Improved interfacial bonding strength and reliability of functionalized graphene oxide for cement reinforcement applications［J］.Chemistry- A European Journal，2020，26（29）：6561-6568.
12	LU Zeyu， HOU Dongshuai， HANIF A，et al.Comparative evaluation on the dispersion and stability of graphene oxide in water and cement pore solution by incorporating silica fume［J］.Cement and Concrete Composites，2018，94：33-42.
13	PARK S， LEE K S， BOZOKLU G，et al.Graphene oxide papers modified by divalent ions-enhancing mechanical properties via chemical cross-linking［J］.ACS Nano，2008，2（3）：572-578.
14	SU Hui， YE Zhibin， HMIDI N.High-performance iron oxide-graphene oxide nanocomposite adsorbents for arsenic removal［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2017，522：161-172.
15	FONSECA L C， DE ARAÚJO M M， DE MORAES A C M，et al.Nanocomposites based on graphene oxide and mesoporous silica nanoparticles：Preparation，characterization and nanobiointeractions with red blood cells and human plasma proteins［J］.Applied Surface Science，2018，437：110-121.
16	GHODS P， ISGOR O B， MCRAE G，et al.The effect of concrete pore solution composition on the quality of passive oxide films on black steel reinforcement［J］.Cement and Concrete Composites，2009，31（1）：2-11.
17	CHUAH S， LI Wengui， CHEN Shujian，et al.Investigation on dispersion of graphene oxide in cement composite using different surfactant treatments［J］.Construction and Building Materials，2018，161：519-527.
18	王成启，高海浪，田峻源.聚羧酸高性能减水剂对水泥水化热的影响［J］.混凝土，2018（11）：1-4，8.
	WANG Chengqi， GAO Hailang， TIAN Junyuan.Effect of polycarboxylic acid high performance water reducing agent on cement heat of hydration［J］.Concrete，2018（11）：1-4，8.

[1]	程子扬, 陈国夫. 纳米SiO₂-水泥复合胶凝材料早期水化动力学研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(7): 80-87.
[2]	屠艳平, 白登显, 程书凯, 谢俊杰, 黄志良, 陈国夫. 矿粉和生石灰高温改性对磷石膏水泥基材料性能影响[J]. 无机盐工业, 2024, 56(6): 94-101.
[3]	李珂珂, 薛江伟, 王露威, 管学茂. 镁铝水滑石对高铁低钙硅酸盐水泥性能的影响[J]. 无机盐工业, 2024, 56(4): 57-63.
[4]	袁兴, 董文燕, 王明顺, 程迪兰, 敖先权. 金属离子对白云石矿物颗粒分散行为的影响[J]. 无机盐工业, 2024, 56(2): 44-50.
[5]	全远霞, 全学军, 柯良辉, 李礼. 硫酸法和氯化法钛白初品表面性能和分散性能研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(11): 123-131.
[6]	许丽, 张强. 铁尾矿粉水泥基材料的性能实验研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(6): 116-123.
[7]	MURZATAEV Asan, 肖诗豪, 付汝松, 安红芳, 孔德文, 王玲玲. 基于正交试验的泡沫脱硫石膏基复合材料性能研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(4): 92-96.
[8]	赵丽平, 王飞. 胺功能化氧化石墨烯对水泥基复合材料性能的影响[J]. 无机盐工业, 2023, 55(3): 66-70.
[9]	刘雪霆, 毛凌峰, 胡芸, 彭溪, 樊雪梅, 陈严磊, 刘文魁. 分散剂和超剪切对二氧化硅的协同分散作用[J]. 无机盐工业, 2023, 55(3): 71-77.
[10]	李鹏, 王立坤, 孟秋燕. α-半水石膏对水泥砂浆性能的影响与水化机理研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(3): 98-103.
[11]	李海涛,赵银峰. 氮化SBA-15负载高分散过渡金属用于丙烷高效直接脱氢[J]. 无机盐工业, 2023, 55(2): 141-148.
[12]	杜长青, 王章轩, 仝腾, 刘骁繁, 刘亮. 硅灰/氧化石墨烯在水泥硬化浆体中的分散性研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(11): 115-120.
[13]	张雁茹, 任常在, 宋占龙, 朱建军, 赵保峰, 谢洪璋, 王振江, 祁晓乐. 生物质电厂灰渣替代水泥掺合料的性能研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(10): 128-135.
[14]	雷鸣,朱含钰,刘子龙,陈国蓬,袁俊生. 重金属在水泥窑协同处置的净浆硬化体中的分布及形态[J]. 无机盐工业, 2022, 54(8): 107-113.
[15]	周远忠,王宏杰,陈鸿,范勇,范岭,李杰. 二水磷石膏配制水泥基湿拌抹灰砂浆试验研究[J]. 无机盐工业, 2022, 54(8): 114-118.

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