氧化石墨烯单掺和与粉煤灰复掺对泡沫混凝土宏观性能和微观孔结构的影响

唐慧京 李 静

（华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641）

0 引言

泡沫混凝土作为装配式外挂墙体的较优材料，具有质轻、保温隔热等非常优异的性能，然而当泡沫混凝土应用于外挂墙板时，仍然存在着承载能力不足、强度低等问题[1-2]。

氧化石墨烯（graphene oxide，即GO）作为性能优良的纳米材料，是近年来学者们研究的热门对象。弓中伟等人[3]发现GO可以提高泡沫混凝土抗压强度，降低吸水率，减少微裂纹的数量，但是对于GO对泡沫混凝土宏观性能的影响研究不够深入，粉煤灰作为混凝土常用的无机掺合料，是改善混凝土成型和力学以及相关物理性能的重要途径[4]，但较少人研究粉煤灰复掺GO对泡沫混凝土宏观性能和微观孔结构的影响。本文通过研究GO单掺和与粉煤灰复掺对泡沫混凝土宏观性能和微观孔结构的影响，为解决泡沫混凝土应用于外墙板出现的问题和发展更优良的外挂墙板提供理论基础和实验依据。

1 实验原材料与配比设计

1.1 原材料

本次实验使用石井牌P·O42.5R水泥，烧失量为1.06%，密度为3100kg/m3，比表面积为376m2/kg。GO采用江苏苏州某石墨烯厂生产的工业级GO分散液。粉煤灰采用河南郑州某厂提供的Ι级粉煤灰，密度为2420kg/m3,烧失量2.52%。减水剂为陕西某厂提供的聚羧酸系高性能减水剂，减水倍数37%。保水剂采用广州市某厂提供的羟基甲基纤维素（HMPC）。促凝剂使用广州市某厂提供的无水氯化钙（CaCl2）。本次试验发泡剂采用物理发泡工艺，选用山东烟台某厂提供的动物蛋白发泡剂。

1.2 配比设计

本试验GO掺量（占胶凝材料的比例）为0、0.02%、0.04%、0.06%。通过试验确定GO的最优掺量后复掺粉煤灰，其中粉煤灰取代水泥的比例是0、10%、20%、30%。将浇筑好的试块在常温下放置24h后拆模并编号，拆完模后放入标准养护室中养护28d后进行试验。对做完抗压强度的试块进行高倍显微镜拍摄，每个配比取15个截面取样图并利用Image-pro plus算出孔结构参数。

2 实验结果分析

2.1 GO对泡沫混凝土宏观性能和微观孔结构的影响

2.1.1 宏观性能

不同GO掺量的泡沫混凝土宏观性能见表1。

表1 不同GO掺量的泡沫混凝土宏观性能

由表1可知，泡沫混凝土的干密度随着GO掺量的增加先增加后降低，GO掺量为0.02%时，泡沫混凝土干密度达到最大值，适当掺量的GO使得水化产物增加，提高干密度，但是掺量过多时，干密度又下降。随着GO掺量的增加，泡沫混凝土的抗压、抗折强度均先增加后降低，但均大于空白组，并且都是在掺量为0.02%时，抗压、抗折强度达到最大值，较空白组分别提高了17.08%和28.36%。GO对泡沫混凝土抗压强度和抗折强度的影响规律与GO对泡沫混凝土干密度的影响规律是比较一致的，这是由于适量的GO掺入促进了泡沫混凝土水化产物的产生，可以更好地填充泡沫混凝土的孔隙，结构更加密实，使泡沫混凝土的微观结构更加规则细密，从而提高了干密度、抗压强度和抗折强度；但是当GO的掺量过多时，GO的比表面积大，吸收更多的水，反而影响了泡沫混凝土的水化，使泡沫混凝土干密度、抗压强度和抗折强度降低。随着GO掺量的增加，泡沫混凝土吸水率先降低后升高，但均比未掺GO的空白组更低，在GO为0.02%时，泡沫混凝土的吸水率最低。

因此，GO掺量为0.02%时，泡沫混凝土干密度、抗压强度、抗折强度、吸水率是最优的。

2.1.2 微观孔结构

泡沫混凝土平均孔径和孔隙率如图1所示。由图1可以看出GO对泡沫混凝土平均孔径和孔隙率的影响规律是一致的，都是随着GO掺量增加，平均孔径和孔隙率先降低后增高，在0.02%掺量时，达到最低值，分别较空白组降低了14.5%和14.6%。吕生华等人[5]研究发现GO纳米片层对水化产物起到模板效应，促使泡沫混凝土的结构更加致密，因此平均孔径和孔隙率降低，跟本研究结论一致。泡沫混凝土孔径分布见图2所示。由图2可知，GO掺量从0增加到0.02%时，小孔的比例增加，大孔的比例降低，但是随着GO掺量从0.02%再增加时，变化趋势呈现了相反的状况，说明当GO掺量提高到一定的程度时，对泡沫混凝土的微观结构开始产生负影响，说明适当的GO掺量可以减少大孔，增加小孔，大大改善泡沫混凝土的孔结构。

图1 不同GO掺量的平均孔径和孔隙率

图2 不同GO掺量的孔径分布

综上所述，GO掺量为0.02%时，泡沫混凝土的微观孔结构是最优的。

2.2 粉煤灰复掺GO对泡沫混凝土宏观性能和微观孔结构的影响

2.2.1 宏观性能

不同粉煤灰掺量的GO泡沫混凝土宏观性能见表2所示。

表2 不同粉煤灰掺量的GO泡沫混凝土宏观性能

从表2可以看出，粉煤灰复掺GO对泡沫混凝土干密度、抗压强度和抗折强度的影响规律是一致的，均是随着粉煤灰掺量的增加先增加后降低。在掺量为10%时，干密度最大，抗折强度最大，在掺量为20%时，抗压强度最大。其中抗压强度较空白组最高增加了13.52%，抗折强度较空白组最高增加了18.6%。在GO的效应基础上，粉煤灰使得GO泡沫混凝土结构更加密实，干密度、抗压强度和抗折强度进一步提高，但是过多的粉煤灰掺量反而影响水泥的水化，影响泡沫混凝土强度。GO泡沫混凝土的吸水率随着粉煤灰掺量增加先降低后升高，均低于参照组，在粉煤灰掺量为20%时，GO泡沫混凝土的吸水率达到最低值。因此，粉煤灰掺量在10%～20%时，进一步改善了泡沫混凝土的宏观性能。

2.2.2 微观孔结构

不同粉煤灰掺量的平均孔径和孔隙率见图3所示。图4是不同粉煤灰掺量对GO泡沫混凝土孔径分布的影响。

图3 不同粉煤灰掺量的平均孔径和孔隙率

图4 不同粉煤灰掺量的孔径分布

由图3可知，随着粉煤灰的掺入，在粉煤灰掺量为10%时，GO泡沫混凝土的平均孔径和孔隙率达到最低值。谢明辉等人[6]发现粉煤灰起到填充孔结构的作用，因此适当的粉煤灰掺量降低了平均孔径和孔隙率。由图4可知，粉煤灰掺量在10%和20%时，小孔的比例增加，大孔的比例降低，但粉煤灰掺量为30%时，小孔比例下降，大孔比例反而增加。嵇鹰等[7]研究发现粉煤灰的“调控效应”进一步改善GO泡沫混凝土的孔结构，但是粉煤灰的掺量过多时，反而对孔结构不利。

3 结束语

综上所述，本课题结论如下：

（1）随着GO掺量的增加，泡沫混凝土的干密度和抗压抗折强度都是先增加后降低。在GO掺量为0.02%时，泡沫混凝土的抗压强度和抗折强度达到最大值，比未掺GO的泡沫混凝土分别提高了17.08%和28.36%，且吸水率最低。

（2）GO使泡沫混凝土的微观孔结构更加细密、形状更加规则。尤其当GO掺量为0.02%时，泡沫混凝土的平均孔径和孔隙率达到最低值，较未掺GO的空白组降低了14.45%和14.46%。

（3）随着粉煤灰掺量增加，GO泡沫混凝土干密度、抗压强度和抗折强度先升高后降低。粉煤灰的掺入可以降低GO泡沫混凝土的吸水率，在粉煤灰掺量为20%时，吸水率最低。

（4）粉煤灰在水泥中通过形态效应和填充作用，使得GO泡沫混凝土孔结构更加致密，平均孔径和孔隙率降低。在粉煤灰掺量10%～20%时，粉煤灰进一步改善了GO泡沫混凝土的孔结构。