Cement Concrete Res. ：氧化石墨烯纳米片在聚合物改性水泥复合材料中的消泡作用以增强微观结构和力学性能

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Cement Concrete Res. ：氧化石墨烯纳米片在聚合物改性水泥复合材料中的消泡作用以增强微观结构和力学性能

题目

Antifoaming effect of graphene oxide nanosheets in polymer-modified cement composites for enhanced microstructure and mechanical performance

氧化石墨烯纳米片在聚合物改性水泥复合材料中的消泡作用以增强微观结构和力学性能

关键词

聚合物；消泡剂；氧化石墨烯（GO）；引气；微观结构

来源

出版年份：2022年

来源：Cement and Concrete Research

课题组：澳大利亚莫纳什大学Ezzatollah Shamsaei课题组和段文会课题组

研究背景

硅酸盐水泥混凝土是世界范围内的主要建筑材料，但巨大的环境足迹使其饱受非议。因此，减少水泥碳排放，提高水泥基结构抗裂性和耐久性，延长水泥基材料使用寿命至关重要。近年来，乳胶聚合物因其在粘接、韧性和耐久性等方面的出色表现，成为制备聚合物改性水泥（PMC）复合材料的常用改性剂。然而，聚合物引气现象导致水泥基材料在新拌状态下产生有害气泡和在硬化状态下产生空气空洞。这极大降低了PMC复合材料抗压强度，阻碍其广泛应用。为降低引气现象对PMC复合材料强度的负面影响，一种通用方法是添加聚乙二醇或硅树脂等消泡剂。但消泡剂的引入会造成粘连不良的问题，无法显著提高PMC复合材料力学强度；另一种方法是添加纳米材料（碳纳米管（CNTs）、纳米二氧化硅（nano-SiO₂）和纳米二氧化钛（nano-TiO₂）等）制备具有更高强度的PMC复合材料。二维氧化石墨烯（GO）纳米片具有高比表面积、优异的弹性模量和高拉伸强度等优异性能，是水泥基复合材料中研究最多的二维材料。含有羧酸基团的GO纳米片可以在GO与水泥基体间产生界面粘附，显著提高纳米复合材料力学性能。此外，GO能与聚合物形成复合材料，显著提高PMC复合材料力学性能。

研究出发点

已有纳米材料强化方法主要集中在PMC复合材料的纳米强化，而通过控制引气效应来调控微观结构的方法尚不明确。同时，2D纳米材料对PMC复合材料力学和微观结构性能的影响尚未报道。因此，有必要研究GO对PMC复合材料控制引气效应、力学和微观结构性能的影响。

研究内容

本研究提出一种通过2D氧化石墨烯（GO）纳米片降低聚合物引气的新方法，利用显微镜和光谱技术对定制化聚合物组件进行表征；通过密度、微观结构和孔隙率表征GO通过改善微观结构调控消泡效应，并进行理论验证。

主要结论

本文提出一种通过2D氧化石墨烯（GO）纳米片降低聚合物改性水泥（PMC）复合材料引气作用的新方法。研究结果揭示了GO纳米片在PMC复合材料中的消泡作用，为高效制备复合胶凝材料提供了新思路。主要结论如下：

（1）GO纳米片改变了醋酸乙烯聚合物（EVA）的结构。透射电镜（TEM）表明GO纳米片有效解决了EVA颗粒的团聚问题。

（2）GO纳米片分散性提高有利于消除水泥基质中的气泡。

（3）化学表征和水化动力学结果证实GO纳米片改变了引气聚合物EVA的化学结构，促进了水化动力学。

（4）相较于普通PMC复合材料，GO改性PMC复合材料的抗拉强度和抗压强度分别提高59%和33%。同时，由于GO的消泡作用，GO改性PMC复合材料基体结构更加致密，孔隙率降低60.1%，渗透率降低18.6%。

（5）GO消泡机理分析表明，GO纳米片的两亲性及其能改变复合介质表面张力是导致消泡的主要原因。