Cement Concrete Comp. ：掺入高比表面积GO/纳米In(OH)3复合材料增强水泥浆体力学性能和水化作用

题目

Enhancing the mechanical properties and hydration of cement paste by incorporating GO/nano In(OH)₃ composite with high specific surface area

掺入高比表面积GO/纳米In(OH)₃复合材料增强水泥浆体力学性能和水化作用

关键词

氧化石墨烯；纳米In(OH)₃；比表面积；分散：键合

来源

出版年份：2024年

来源：Cement and Concrete Composites

课题组：济南大学材料科学与工程学院李来波课题组

研究背景

混凝土因其出色的承载能力而成为世界上应用最广的建筑材料。然而，混凝土本质上仍为脆性材料，其易发生开裂失效，造成安全隐患。优化水泥基体微/纳米结构结构和水化性能是提高水泥基材料力学性能和耐久性的根本途径之一。其中，氧化石墨烯（GO）具有高比表面积且富含多种含氧官能团，可在微米/纳米/分子水平上优化水泥基体微观结构和水化性能。GO以多种方式增强混凝土基体并提高其耐久性，主要为：（1）GO中碳原子之间的强共价键提供有效且均匀分布的增强作用；（2）GO上的含氧官能团促进熟料溶解，并作为成核位点促进水泥水化过程和细化孔结构；（3）GO易与水泥基材料形成牢固的化学键，增强其整体附着力和内聚力；（4）GO纳米片抑制裂缝的传播或生长；（5）GO纳米片的柔韧性有助于能量耗散和吸收机械能，并降低结构失效风险。理论上，GO表面的亲水官能团使其易于分散于水溶液。然而，由于水泥水化过程中存在大量金属阳离子，导致GO团聚，从而削弱GO与水泥基体结合。

有研究通过还原GO制备还原氧化石墨烯（rGO）来降低团聚，但该方法削弱其与水泥基体间的结合力。此外，使用微/纳米材料改性GO可通过静电排斥和协同强化提高GO分散性，从而改善水泥基材料力学性能。其中，In(OH)₃是一种具有化学稳定性的氢氧化物，且易于制备，是改性GO的理想材料。

研究出发点

为减轻纳米材料在水泥材料中团聚问题并强调GO对水泥基材料力学性能影响，选用纳米In(OH)₃改性GO。

研究内容

本文制备了纳米In(OH)₃改性GO(IGO)，并研究其对水泥基材料水化特性、微观结构、韧性和力学性能影响。具体为：控制反应条件，制备不同比表面积、分散性和键合性的IGO；使用紫外-可见光（UV-vis）分光光度法表征IGO分散性，使用拉曼光谱表征IGO表面成核位点，并使用 Brunauer-Emmett-Teller比表面积测试法（BET）测定IGO比表面积。

总结

本文制备了比表面积、分散性和粘结力更高的纳米In(OH)₃改性氧化石墨烯（GO）（IGO），并将其引入水泥浆体中，以提高GO在水泥基体中的分散性并提高其与水泥基体粘结能力。主要结论如下：

（1）作为纳米颗粒稳定剂的尿素和柠檬酸钠在GO上形成In(OH)₃纳米晶体过程中提供了OH^–。这有利于精确控制GO上In(OH)₃纳米晶体的尺寸和形貌。当纳米颗粒稳定剂浓度为33 g时，IGO-33的比表面积达峰值（24.43 m²/g），与不含纳米颗粒稳定剂的IGO（ IGO-0）相比提高了91.91%。紫外-可见光（UV-vis）吸收曲线从0.25上升到0.65，拉曼光谱中的I_D/I_G比从0.87增置1.08。这些结果共同表明IGO-33具有优异的分散性，且增加了可用于有效结合的缺陷位点数。

（2）水泥基材料力学强度提高与IGO比表面积密切相关。比表面积最高的IGO-33具有优异的力学性能。对于养护28 d的IGOC-33，其抗压强度和抗折强度分别达118.0 MPa和15.1 MPa，相较于IGOC-0分别提高了29.53%和36.04%。添加IGO（特别是IGO-33），加速了水泥水化。微观结构分析表明，IGOC-33水化产物堆叠致密，增强水泥基体致密性并降低其孔隙率。IGOC-33的72小时累积水化热增加了7.69%，养护28 d孔隙率降低了38.50%。

综上所述，纳米颗粒稳定剂是提高GO/纳米材料比表面积和分散性的有效手段。改性IGO显著提高了水泥复合材料力学强度，增强其水化作用并细化其孔隙结构。这为GO在水泥复合材料中的应用提供了宝贵的见解。