改性减水剂对水泥混凝土的物理力学性能和耐久性影响开题报告

1.1 纳米材料在土木工程材料中的研究现状

随着我国基础建设的大力推进，具有原材料丰富、造价低廉、配制灵活、高强和良好耐久性特点的混凝土迅速发展。随着混凝土材料应用领域的不断扩展，人们对混凝土的性能要求更为严格。然而由于混凝土自身存在的缺陷，导致混凝土内部存留了许多微裂缝和孔隙，这直接导致了混凝土的高脆性、低抗拉的特性，其在一定的荷载、环境作用下，建筑物结构很容易开裂。而这些裂缝将大大加速一些腐蚀介质如氯盐等的侵入，从而大大缩短了混凝土结构物的服役寿命。目前因混凝土结构过早劣化给各个国家带来的巨大损失在国内外已屡见不鲜，如何保证混凝土结构在各种复杂因素作用下还具有高的耐久性能成为建设发展中的重大理论难题。目前，提升混凝土耐久性能的主要方法有降低水胶比、掺加外加剂以及高性能矿物掺合料(如粉煤灰、矿粉及硅灰)。近年来，纳米材料凭借其优异性能在各个领域都表现出了良好的应用前景，并被认为是21世纪最有前途的材料。纳米材料在水泥基材料中的应用研究始于20世纪末，已有研究表明，纳米材料可以使水泥基材料整体结构更加密实，显著提高材料的力学强度，且使其具有高的耐久性能。

目前，随着纳米材料研究的深入和制造成本的降低，其应用领域也越来越广泛，国内外已经有很多研究者对纳米材料在水泥基材料中的应用进行了试验研究，且一些纳米材料已被应用于水泥基材料中，其中纳米SiO₂的应用最广泛。大连理工大学的王宝民将纳米SiO₂引入高性能混凝土（HPC）中，研究发现，纳米SiO₂的引入使得新拌混凝土的工作性降低，同时能提高混凝土的早期和后期抗压强度，早期强度提高较后期更明显，且能显著改善混凝土的抗渗性^[14]。2012年，湖南大学的曹方良研究了在超高性能混凝土（UHPC）中掺入纳米SiO₂，结果表明，UHPC的抗压强度和抗折强度随着纳米SiO₂的适当增加而增大^[11]。2012年，郑州大学的汪鹏研究了将不同掺量纳米SiO₂掺入高性能混凝土中，结果表明，当纳米SiO₂的掺量为5%时，其立方体抗压强度、抗压弹性模量和抗弯拉强度达到最大值^[12]。浙江工业大学的叶青等人通过掺纳米SiO₂混凝土抗压强度性能试验并运用XRD物相分析对纳米SiO₂与水泥水化产物Ca(OH)₂的反应进行了研究，研究结果表明，纳米SiO₂与水泥水化产物Ca(OH)₂能较快地发生反应，生成水化硅酸钙凝胶,明显地提高了混凝土早期强度^[9]。

近年来，纳米材料石墨烯因其具有优异的力学性能和巨大的比表面积，引起了土木工程材料研究者极大的研究兴趣。氧化石墨烯（GO），石墨烯的一种氧化产物，因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，其结构上含有大量的亲水活性基团，如羟基、羧基和醚基等，因而很容易分散在水中。但相比纳米SiO₂而言，目前氧化石墨烯在水泥基材料中的应用仍较少。

1.2 氧化石墨烯（GO）在水泥基材料的应用中存在的问题及研究现状

研究发现，纳米氧化石墨烯（GO）在水泥浆体中的分散性不理想，这是其尚未广泛应用的原因之一，目前，氧化石墨烯分散的方式有超声波处理法、机械分散法和电泳法等。国外有研究者发现，通过聚羧酸高效减水剂处理后的GO可以很好地分散在水泥基材料中^[15]。已有研究表明，氧化石墨烯对水泥基材料的强度、韧性和耐久性等方面均有增强作用。2014年，杜涛通过Hummers法和热膨胀后二次氧化法制备出不同尺寸的GO，并将GO应用到水泥中，发现GO可以减少水化产物CH的含量，并细化孔隙，提高水泥石抗氯离子渗透性能。2016年重庆交通大学的杨雅玲研究了纳米材料氧化石墨烯（GO）对水泥砂浆的力学性能和耐腐蚀性能的影响，为了提高GO在水泥浆体中的分散性，使用聚羧酸减水剂进行处理，研究表明，掺入经过GO改性后的聚羧酸减水剂可以很好的提升水泥砂浆抵抗腐蚀介质的能力^[6]。

目前，已有不少研究者研究了氧化石墨烯（GO）对水泥基材料力学性能的影响，研究发现，掺入GO可以提高水泥基材料的抗压、抗拉和抗折强度。也有研究者研究了GO对水泥砂浆耐久性能的影响，而关于GO对水泥混凝土耐久性能影响的研究较少。

1.3 本课题的目的及意义

本课题通过将氧化石墨烯（GO）与聚羧酸减水剂按不同比例复配制得改性减水剂，研究引入该类减水剂的水泥混凝土的各项性能，并建立对照组，观察经GO改性的聚羧酸减水剂对水泥混凝土力学性能包括抗压强度、抗拉强度和弯曲韧性的影响，旨在探讨研究该类改性减水剂对水泥混凝土的施工性能和耐久性能包括抗冻性和抗氯离子渗透性的影响，从而为该类改性减水剂的工程应用提供试验依据。

本课题以某研究所新开发的纳米氧化石墨烯改性减水剂为主要研究对象，将其引入水泥砂浆和混凝土中，检验各体系砂浆、混凝土的物理力学性能和耐久性能，为该种改性减水剂的工程应用提供试验依据。

具体研究内容如下：

（1）原材料的基本物性分析：砂的细度模数和石的颗粒级配、最大粒径等性能；

（2）减水剂的性能分析：减水剂的固含量；

（3）将不同复配比例的改性减水剂引入砂浆中，探究改性减水剂对水泥砂浆的收缩性能影响；

（4）参考生产经验确定混凝土基准配合比；

（5）将改性减水剂引入混凝土中，探究改性减水剂对新拌混凝土的施工性能（坍落度、坍落度经时损失）的影响；

（6）将改性减水剂引入混凝土中，探究其对混凝土力学性能（抗压强度、抗拉强度、弯曲韧性）和耐久性能（抗氯离子渗透性能、抗冻性）的影响。

（7）根据早期所得数据，选取其中几种减水剂，改变其掺量引入混凝土中，重复上述试验。

预期目标：

本课题通过比较各组砂浆的收缩性能、各组混凝土的抗压强度、抗拉强度、弯曲韧性、抗冻性和抗氯离子渗透性以及新拌混凝土的施工性能，从而得到该类改性减水剂对砂浆和混凝土性能的影响及影响规律。

3.1 原材料的基本物性分析

砂的细度模数：通过筛分析法测得并计算出累计筛余，从而计算出砂的细度模数。

石的颗粒级配和最大粒径：通过筛分析试验测定。

3.2 减水剂的性能分析

减水剂：本课题所用的减水剂为某研究所新开发的纳米氧化石墨烯改性减水剂，减水剂的种类共有8种，其中包括未经GO改性的两种聚羧酸减水剂M18和M22，M18与GO复配比例分别为1:0.4、1:0.8和1:1的系列改性减水剂G18，以及M22与GO复配比例分别为1:0.4、1:0.8和1:1的系列改性减水剂G22；

减水剂的固含量：称取一定量的减水剂放入烘箱，恒温105℃直至质量不变，通过测定质量减少值计算减水剂固含量。

3.3 改性减水剂对水泥砂浆收缩性能的影响

3.3.1 确定水泥砂浆的基准配比

以质量比表示，水泥砂浆的基准配比为水泥：砂：水=1:3:0.5。减水剂的掺量取水泥质量的1‰，同时设置空白对照组，按照减水剂种类不同，试验小组共有9组。

3.3.2 水泥砂浆的收缩性能

根据GB/T751-1981《水泥胶砂干缩试验方法》，水泥砂浆干燥收缩试体采用棱柱体三联模,试模的截面尺寸为25mmx25mmx280mm。试件应按照规定的方法成型、脱模,脱模后的试体先在20℃±2℃的水中养护6d后,再转人温度为20℃±2℃,相对湿度为60%±5%的养护室中养护至28d龄期取出，进行干缩试验，试验小组共有9组，一组3个试件。

3.4 确定混凝土配合比

参考生产经验确定混凝土基准配合比，以质量比表示，为水泥：砂：石：水=1:2.08:3.00:0.50。减水剂的掺量取水泥质量的1‰，减水剂的种类共有8种，同时设置空白对照组，试验小组数共有9组。

3.5 改性减水剂对新拌混凝土施工性能的影响

根据GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》的方法进行新拌混凝土的坍落度试验，并每隔15min测一次坍落度，直至坍落度为0，按照减水剂种类不同，共需进行9组试验。

3.6 改性减水剂对水泥混凝土力学性能的影响

3.6.1 混凝土的抗压强度

按照GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法》的方法进行混凝土试块的成型、养护和抗压强度的测试。采用标准养护的试件，应在温度为20±5℃的环境中静置一昼夜至二昼夜，然后编号、拆模。拆模后应立即放人温度为20±2℃,相对湿度为95%以上的标准养护室中养护，并于3d、7d和28d龄期取出，进行抗压强度的测定，按照减水剂种类不同，试验共9组，一组为3个试件。用100mmx100mmx100mm的非标准试件，测得的强度值应乘以尺寸换算系数0.95。

3.6.2 混凝土的劈裂抗拉强度

按照GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法》的方法进行混凝土试块的成型、养护和劈裂抗拉强度的测试。试件于28d龄期取出，进行劈裂抗拉强度的测定，试验共9组，一组为3个试件。用100mmx100mmx100mm的非标准试件，测得的强度值应乘以尺寸换算系数0.85。

3.6.3 混凝土的弯曲韧性

按照GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法》的方法进行混凝土试块的成型和养护，试件尺寸为100mmx100mmx400mm，试验共9组，一组为3个试件。根据CECS13-2009《纤维混凝土试验方法标准》，试件于28d龄期从养护室取出，并测定混凝土的弯曲韧性，采用三分点加载，测得荷载-挠度曲线图。

3.7 改性减水剂对水泥混凝土耐久性能的影响

3.7.1 混凝土的抗冻性

按照GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法》的方法进行混凝土试块的成型和养护，试件尺寸为100mmx100mmx400mm，试验共9组，一组为3个试件。根据GB/T50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，选用快冻法进行混凝土的抗冻性试验，试件应在24d龄期取出，随后放在20±2℃水中浸泡，冻融试件浸泡4d后进行冻融试验。试件的质量损失率达5％时停止冻融循环，质量损失率达5％时的最大冻融循环次数，作为混凝土抗冻等级。

3.7.2 混凝土的抗氯离子渗透性能

按照GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法》的方法进行混凝土试块的成型和养护，试件为直径Φ=100±1mm，高度h=50±2mm的圆柱体试件，试验共9组，一组为3个试件。根据GB/T50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，将养护到28d龄期的试件暴露于空气中至表面干燥，以硅胶或树脂密封材料涂刷试件圆柱表面或侧面。测试前应进行真空饱水。饱水结束后，从水中取出试件，进行抗氯离子渗透试验。

3.8 不同掺量改性减水剂对混凝土性能的影响

根据测得的3d和7d龄期立方体抗压强度数据，选取其中两种减水剂（M18系列与M22系列各一种），各再以掺量1.5‰和1.8‰引入混凝土中，重复3.3至3.7的试验。

[1] 徐海军，祝雯. 改性聚羧酸减水剂在C30商品混凝土应用中与水泥适应性的试验研究[J]. 新型建筑材料，2012,(8):53-54.

[2] 赵平，严云，胡志华，等. 改性萘系减水剂对水泥基材料性能的影响[J]. 混凝土与水泥制品，2011,(11):6-10.

[3] 杨雅玲. 氧化石墨烯对水泥基材料耐腐蚀性能的影响[D]. 重庆交通大学，2016.

[4] 陈亚兵.GO-PC复掺高性能混凝土的制备与性能研究[D]. 武汉工程大学，2017.

[5] 朱榆，徐世烺. 超高韧性水泥基复合材料加固混凝土三点弯曲梁断裂过程的研究[J]. 工程力学，2011,28(3):69-77.

[6] 张世义. 纳米偏高岭土水泥基材料物理力学性能及耐久性研究[D]. 大连海事大学，2016.

[7] 吕生华，朱琳琳，贾春茂，等.PCs/GO复合物对水泥基材料微观结构和力学性能的影响[J]. 材料导报，2017,31(3):125-129,135.

[8] 刘衡. 掺纳米石墨烯片水泥基复合材料的机敏性研究[D]. 武汉理工大学，2015.

[9] 叶青，张泽南，陈荣升，等.纳米SiO₂与水泥硬化浆体中Ca(OH)₂的反应[J].硅酸盐学报，2003，31(5)518~522.

[10] 季韬，黄与舟，郑作樵.纳米混凝土物理力学性能研究初探[J].混凝土，2003.

[11] 曹方良.纳米材料对超高性能混凝土强度的影响研究[D].湖南大学，2012.

[12] 汪鹏.纳米高性能混凝土断裂性能试验研究[D].郑州大学，2012.

[13] 刘问.超高韧性水泥基复合材料动力学性能的试验研究[D].大连理工大学，2011.

[14] 王宝民.纳米SiO2高性能混凝土性能及机理研究[D].大连理工大学，2009.

[15] Babak Fakhim et al. Preparationand Mechanical Properties of Graphene Oxide: Cement Nanocomposites[J].TheScientist World Journal,16 January 2014,1-10.