内容简介
本专著系统研究了石墨烯在水泥基体中的分散性，并利用石墨烯的高导热性及增强基体能力，通过降低因温度和湿度因素引起的收缩应力，有效提升水泥基体的抗裂性，旨在降低早期收缩伴随的裂缝损伤，提高水泥混凝土的服役寿命。在本专著中，针对水泥混凝土收缩开裂的现象，首先研究了石墨烯在水泥基体中的分散性，掌握了均匀分散石墨烯的方法，并建立了其空间分散的表征方法。进而，利用石墨烯的高导热性，使混凝土硬化浆体保持均匀温变，降低温差应力，提升水泥基体的抗裂性。此外，揭示了石墨烯改性水泥材料的微观机理，并基于石墨烯增强水泥基体能力，控制因湿度因素引起的收缩应力，降低早期收缩伴随的裂缝损伤。
本专著详细总结了石墨烯改性水泥基材料的研究背景及成果进展，知识新颖，讨论了纳米材料改性水泥基材料的分散机理及作用机制，对未来水泥混凝土的进一步发展具有非常重要的指导意义和科学应用价值。
本专著主要面向高校、科研机构等的科研工作者。
目录
第1章 绪论 001
1.1研究背景 002
1.2国内外研究现状 004
1.2.1水泥收缩裂缝研究 004
1.2.2石墨烯改性水泥基材料研究进展 008
1.3本书研究思路与研究内容 012
1.3.1研究思路 012
1.3.2主要研究内容 013
1.4研究目的与意义 014
第2章 实验设备与分析测试方法 015
2.1实验设备 016
2.2分析与表征方法 016
2.2.1粒度测试 016
2.2.2光谱分析 017
2.2.3显微镜分析 017
2.2.4热分析 018
2.2.5X射线分析 019
2.2.6压汞法分析 020
2.2.7声发射分析 020
2.3物理性能测试 021
2.3.1水泥净浆及胶砂强度 021
2.3.2保水性和失水率 021
第3章 氧化石墨烯在水泥基体中的分散性研究 023
3.1引言 024
3.2氧化石墨烯的团聚行为 025
3.2.1原材料表征 025
3.2.2氧化石墨烯团聚物观察 026
3.2.3氧化石墨烯的团聚机理分析 029
3.3氧化石墨烯的分散性研究 031
3.3.1高速搅拌法 034
3.3.2PCE分散法 038
3.3.3球磨法 041
3.3.4包覆法 043
3.3.5不同分散方法对强度及孔结构的影响 045
3.4本章小结 048
第4章 石墨烯改性水泥基材料的导热及温变性能研究 051
4.1引言 052
4.2石墨烯的分散性研究 053
4.2.1原材料表征 053
4.2.2石墨烯水性悬浮液的分散性表征 055
4.2.3石墨烯在水泥基体中的分散性研究 057
4.3石墨烯对水泥导热能力的影响 059
4.4石墨烯对大体积砂浆内外温差的影响 060
4.5球磨法分散石墨烯及对水泥导热能力的影响 066
4.6本章小结 069
第5章 石墨烯改性水泥基材料的收缩及抗裂性能研究 071
5.1引言 072
5.2石墨烯对早期收缩性能的影响 073
5.2.1实验测试过程 073
5.2.2早期收缩性能 075
5.3石墨烯对抗裂性能的影响 076
5.3.1抗裂实验过程 076
5.3.2抗裂性能表征与评价 078
5.4石墨烯改善收缩及抗裂的机理探讨 083
5.4.1水泥基体内部水分的影响 083
5.4.2水泥基体微观结构的影响 086
5.5本章小结 089
第6章 石墨烯改性水泥基材料的强度及微观结构研究 091
6.1引言 092
6.2石墨烯对力学强度的影响 093
6.2.1PCE分散法制备砂浆的强度 093
6.2.2球磨法制备砂浆的强度 094
6.3氧化石墨烯/石墨烯对水泥水化性能的影响 094
6.3.1氧化石墨烯到石墨烯的转化研究 095
6.3.2水化热分析 096
6.3.3XRD分析 099
6.3.4SEM分析 100
6.4本章小结 101
第7章 结论与展望 103
7.1结论 104
7.2创新点 107
参考文献 108
前言/序言
水泥混凝土是世界上用量最大、使用最广泛的建筑材料之一。近三个世纪以来，以水泥混凝土为主的工程结构得到迅速发展，广泛应用于土木建筑、交通运输及海洋开发等方面，为人类的文明与建设做出了巨大的贡献。
随着产业升级、设备改造及水泥煅烧工艺的提高，目前工业生产的水泥粒度普遍较细，比表面积增大，熟料中硅酸三钙及铝酸三钙等早强矿物的含量显著增加。这些变化虽然有助于提高混凝土的早期强度，但却增加了水泥基体的温变收缩和干燥收缩，再加上配制混凝土时采用较低水灰比产生的自收缩，混凝土结构物非常容易开裂。尽管现代水泥混凝土由于各种外加剂的广泛使用和施工技术的发展而发生根本性变化，但同时也增加了收缩开裂的风险。混合材及地材的变化、复杂的结构设计、施工等环节也使得混凝土裂缝控制技术的难度大幅增加。
通常，引起水泥混凝土早期收缩裂缝的原因主要分为两类：温度因素和湿度因素。温度收缩主要发生在大体积混凝土中，由于硬化水泥石是热的不良导体且水泥水化热集中，会造成混凝土结构物内外温差过大而引起温变收缩。与湿度因素相关的收缩包括干燥收缩、自收缩和塑性收缩等，主要是由混凝土内外湿度条件的不平衡造成的。早期收缩裂缝属于非荷载裂缝，不仅影响混凝土结构物的表面美观性，而且为水分和氯盐等侵蚀性介质进入混凝土内部提供了快速通道，严重降低了混凝土的耐久性，甚至还会影响结构物的强度，危及建筑物的安全性、整体性与稳定性。因此，研究和控制水泥混凝土的收缩开裂问题具有重要的工程安全、耐久和经济意义。
石墨烯是一种新型纳米材料，具有超高的导热系数和高强度等许多优异的性能，在电子器件研发、强化基体热性能、增强补强等领域具有非常广阔的应用前景。根据现有的文献陈述，石墨烯能够明显改善纳米流体、热界面材料和复合高分子材料的导热性能。由此设想，是否可将高导热的石墨烯均匀分散在水泥基体中，构建有效的导热网络，增强硬化水泥石的导热能力，将水化释放的热量及时均匀地散发出来，进而实现混凝土结构物的均匀温变，最终实现减少水泥混凝土因温变而产生收缩裂缝的目标。同时，石墨烯特殊的二维褶皱结构及高吸水性也能够影响水泥石中的水分迁移，从而改善混凝土由于湿度不平衡诱发的收缩裂缝。此外，石墨烯还可以密实硬化水泥石的微观结构，提高强度及耐久性，有利于改善水泥基体的抗裂性。综上所述，石墨烯掺入水泥基材料中必然会对其导热能力和早期收缩裂缝产生重要的影响，但其影响条件、发展规律及作用机理等方面都还需要进行深入细致的基础研究。
本专著通过聚羧酸表面活性剂（PCE）分散法及球磨法等手段将还原氧化石墨烯均匀分散在水泥基体中，研究了石墨烯的分散方法及空间分布表征。借助石墨烯的高导热性，提高水泥基体的导热能力，调控水化热的传导与扩散，可使硬化水泥石保持内外均匀温变，减少温变收缩裂缝的产生与扩展。同时，利用石墨烯改性技术，降低因湿度因素诱发的收缩应力，提升砂浆基体的抗裂性，可降低早期收缩导致的裂缝损伤，同时提高混凝土的服役寿命。此外，本专著进一步探究了石墨烯对水泥力学强度和水化性能的影响规律，为充分理解石墨烯改性水泥基材料的基础性能提供了充实的理论基础。本专著研究内容有望推动纳米技术改性水泥混凝土领域的发展，为改善水泥混凝土早期收缩开裂现象提供翔实的理论研究基础，具有一定的科学和经济意义。
书中有诸多资料引自单位的研究成果和个人的论文著作，在此，谨向有关单位和个人表示感谢。在撰写和实验过程中得到了济南大学叶正茂教授和诸多老师、学生的支持与帮助，在此表示感谢。
由于作者理论知识和实践经验有限，专著中可能存在一些缺点和不足之处，诚恳希望读者批评指正。
著者
2024年11月
