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摘要
为提升水泥基材料的力学性能与耐久性，本研究将具有优异力学特性及功能可调性的纳米材料氧化石墨烯（GO）与宏观纤维材料碳纤维（CF）复掺入水泥砂浆中，探讨二者协同效应对砂浆性能的影响。通过系统试验，研究了不同掺量GO（%~% by weight of cement）与CF（%~% by volume fraction）复配对水泥砂浆流动性、力学强度（抗压、抗折）、微观结构、收缩性能及抗渗性的影响规律。结果表明：GO与CF在水泥砂浆中发挥了不同尺度上的协同增强作用。GO有效改善了水泥水化产物的微观结构，促进了高密度C-S-H凝胶的形成，并优化了CF与水泥基体的界面过渡区（ITZ）；而CF则主要承担宏观桥联与阻裂作用。%、%时，%%，干燥收缩显著降低，抗渗性能也得到明显改善。微观测试（SEM， XRD）证实了GO对水化过程的调控及对ITZ的强化作用。本研究为开发高性能水泥基复合材料提供了新的思路与方法。
关键词： 氧化石墨烯；碳纤维；水泥砂浆；复掺效应；力学性能；微观结构
1. 引言
水泥基材料是当今世界上用量最大的建筑材料，但其固有的脆性、易开裂及耐久性不足等问题限制了其在高性能结构中的应用。纤维增强是改善水泥基材料韧性和抗裂性能的有效途径之一。碳纤维（CF）作为一种高性能纤维，具有高 tensile strength、高弹性模量、耐腐蚀等优点，将其掺入水泥基体中可以显著提高材料的抗拉强度、弯曲韧性及抗冲击性能。然而，CF与水泥基体的界面粘结强度不足易导致纤维拔出，削弱其增强效果。此外，CF在水泥浆体中难以均匀分散，易团聚，也影响了增强效果的充分发挥。
近年来，纳米材料因其独特的尺寸效应和表面效应，为改性水泥基材料提供了新的机遇。氧化石墨烯（GO）作为石墨烯的衍生物，其片层表面富含羟基、羧基、环氧基等含氧官能团，具有良好的亲水性和分散性，能在水溶液中形成稳定的胶体。研究表明，GO能有效促进水泥水化，优化水化产物的微观形貌，提高基体的密实度，并对微裂纹具有抑制作用。将GO与纤维材料复掺，有望在纳米和宏观两个尺度上协同提升水泥基材料的性能：GO通过改善基体性能和纤维-基体界面，为CF提供更强大的支撑；而CF则弥补GO在宏观增韧方面的不足。
目前，关于GO与CF复掺改性水泥砂浆的研究尚不充分，二者之间的协同作用机制有待深入探讨。本研究旨在系统研究GO与CF复掺对水泥砂浆工作性、力学性能、耐久性及微观结构的影响，揭示其协同增强机理，为制备高性能水泥基复合材料提供理论依据和实践指导。
2. 试验部分
原材料
* 水泥： ，其化学组成与物理性能符合国家标准GB 175-2007要求。
* 细骨料： 标准石英砂， mm ~ mm。
* 氧化石墨烯（GO）： 采用改进的Hummers法制备，片层直径约为10~50 μm，~ nm，其水分散液固含量为2 mg/mL。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）显示其表面含有丰富的含氧官能团。
* 碳纤维（CF）： 聚丙烯腈基短切碳纤维，长度为6 mm，直径为7 μm，抗拉强度为4100 MPa，弹性模量为230 GPa。
* 减水剂： 聚羧酸系高效减水剂，减水率≥25%。
* 拌合水： 自来水。
试验配合比与试样制备
基准砂浆配合比为：m(水泥): m(砂): m(水) = 1 : 3 : 。在此基础上，分别设计单掺GO、单掺CF以及GO与CF复掺的试验组。GO掺量（按占水泥质量百分比计）%、%、%、%、%；CF体积掺量（按砂浆总体积百分比计）%、%、%。复掺组选取具有代表性的掺量组合进行重点研究。为保障工作性，所有组别均掺入适量减水剂使流动度控制在（180±10）mm。具体分组详见下表。
水泥砂浆试验配合比设计表
| 组别编号 | GO掺量 (wt%) | CF体积掺量 (vol%) | 水灰比 | 减水剂掺量 (wt%) |
| :— | :—: | :—: | :—: | :—: |
| REF | 0 | 0 | | |
| GO- | | 0 | | |
| GO- | | 0 | | |
| GO- | | 0 | | |
| CF- | 0 | | | |
| CF- | 0 | | | |
| CF- | 0 | | | |
| | | | | |
| | | | | |
试样制备流程如下：
1. GO分散液制备： 将计算量的GO水分散液置于烧杯中，超声处理（功率400W，冰浴）30分钟，确保GO充分分散。
2. CF分散： 将短切CF在含有适量减水剂的水中机械搅拌并辅以超声，使其初步分散。
3. 砂浆搅拌： 采用行星式水泥胶砂搅拌机。先将水泥和砂干拌1分钟，然后加入含有GO、CF及剩余减水剂的拌合水，慢速搅拌2分钟，再快速搅拌2分钟，确保混合均匀。
4. 成型与养护： 将拌合好的砂浆注入相应模具（40 mm × 40 mm × 160 mm棱柱体试件用于力学性能测试；Φ100 mm × 50 mm圆柱体试件用于抗渗测试等），在振动台上振实。覆盖塑料薄膜，在温度（20±2）℃、相对湿度≥95%的标准养护室中养护24 h后脱模，继续标准养护至规定龄期进行测试。
测试方法
* 流动度： 依据GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行。
* 力学性能： 养护至3天、7天、28天龄期，采用微机控制电子万能试验机，依据GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》测试抗压强度和抗折强度。
* 干燥收缩： 采用40 mm × 40 mm × 160 mm试件，依据JC/T 603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》，测定28天龄期的干燥收缩率。
* 抗渗性能： 采用Φ100 mm × 50 mm圆柱体试件，依据GB/T 23440-2009《无机防水堵漏材料》中的抗渗压力试验方法进行测试。
* 微观结构分析：
* 扫描电子显微镜（SEM）： 取28天龄期试件的碎片，喷金处理后，用SEM观察砂浆的微观形貌、水化产物结构以及CF与基体的界面结合情况。
* X射线衍射（XRD）： 将样品研磨成粉末，采用X射线衍射仪分析水化产物的物相组成。
* 压汞法（MIP）： 测定28天龄期硬化砂浆的孔隙率与孔径分布。
3. 结果与讨论
对新拌砂浆流动性的影响
随着GO或CF掺量的增加，为维持相同流动度，所需减水剂掺量均需增加。GO由于其巨大的比表面积和表面能，会吸附大量水分和减水剂分子，导致流动性降低。CF的加入则因纤维的相互搭接和比表面积效应，同样会降低流动性。复掺时，流动性下降更为明显，需显著提高减水剂用量。这表明GO和CF均会对砂浆的工作性产生不利影响，在工程应用中需通过调整减水剂来保证施工性能。
对力学性能的影响
抗压强度
所有改性砂浆的抗压强度均随龄期增长而提高。单掺GO时，存在最佳掺量（%），%。过量GO（%）会导致团聚，强度增长有限。单掺CF，抗压强度提高幅度相对较小（%掺量时提高约10%），CF主要起阻裂作用，对纯抗压强度贡献不如GO对基体的强化作用显著。复掺效应十分明显： ，%，显著高于单掺GO或单掺CF的强度之和，表现出正的协同效应。GO优化了水泥石基体，提高了其密实度和强度，为CF提供了更坚固的锚固基础；而CF有效约束了基体的横向变形，延缓了裂纹扩展。
抗折强度
抗折强度对纤维的增强效果更为敏感。单掺CF（%）%，表现出明显的桥联作用。单掺GO（%）也可提高抗折强度（约15%），源于其对基体的增强和微裂纹的抑制。复掺组（）的抗折强度提升最为显著，%。 这表明GO与CF在抗折增强上产生了优异的协同作用：GO不仅强化了基体，更关键的是改善了CF与水泥基体的界面粘结性能（ITZ），使得CF在受力时能更有效地传递应力，充分发挥其高强特性，从“纤维拔出”模式向“纤维断裂”的理想破坏模式转变。
对干燥收缩的影响
与基准组相比，单掺GO和单掺CF均能不同程度地降低砂浆的干燥收缩。GO通过促进水化、增加C-S-H凝胶量、细化孔结构，减少了可蒸发水的含量并增强了基体抵抗收缩变形的能力。CF则通过物理约束作用限制基体的收缩。复掺组（）的28天干燥收缩率最低，较基准组降低了约40%，协同减缩效果显著。这得益于GO从微观上降低收缩源和细化结构，CF从宏观上提供约束的双重作用。
对抗渗性能的影响
抗渗压力测试结果表明，掺入GO和CF均能提高砂浆的抗渗等级。GO的加入使得孔结构更加细化，有害孔（>50 nm）比例减少，毛细孔通道更加曲折，阻断了渗水路径。CF的乱向分布同样增加了渗水路径的曲折度。复掺砂浆的抗渗性能最佳，其抗渗压力比基准组提高了近3倍。这说明GO与CF在改善砂浆耐久性方面也具有积极的协同效应。
微观结构分析
SEM分析： 基准组砂浆的SEM图像显示水化产物结构较为疏松，存在较多裂纹和孔隙。单掺GO组的水泥石结构明显致密，C-S-H凝胶交织程度更高，孔隙减少。单掺CF组可见CF与基体之间存在明显缝隙（界面薄弱区）。而在复掺组（）中，可以观察到CF被致密的水化产物紧密包裹，界面过渡区（ITZ）明显改善，CF与基体结合紧密。这表明GO通过其成核作用和模板效应，优化了ITZ处水化产物的生长和排列，强化了纤维与基体的机械啮合和化学粘结。
XRD分析： XRD图谱显示，各组的物相组成以硅酸钙水化物（C-S-H）、氢氧化钙（CH）、未水化水泥颗粒等为主。与基准组相比，掺GO组的CH衍射峰强度有所减弱，表明GO促进了水泥水化，消耗了更多的CH生成C-S-H凝胶。复掺组的物相变化趋势与单掺GO组相似。
MIP分析： 压汞测试结果表明，复掺砂浆的总孔隙率显著低于基准组和单掺组。其最可几孔径向小尺寸方向移动，大于100 nm的有害孔比例大幅降低。这从孔隙结构的角度证实了GO与CF复掺对提高砂浆密实度的协同贡献。
4. 结论
GO与CF复掺可显著提升水泥砂浆的综合性能，但会对新拌砂浆的流动性产生不利影响，需通过增加减水剂用量来补偿。
GO与CF在增强增韧方面存在显著的协同效应。%、%时，砂浆的28天抗压强度和抗折强度达到最优，%%。其协同增强机制主要源于GO对水泥基体的密实化强化及对CF-基体界面过渡区（ITZ）的优化，与CF的宏观桥联阻裂作用相结合。
GO与CF复掺能有效降低砂浆的干燥收缩，并显著提高其抗渗性能，表明二者在改善砂浆体积稳定性和耐久性方面也具有积极的协同作用。
微观测试（SEM， MIP）证实，GO的加入使水泥石结构更加致密，孔隙率降低，孔径细化，并显著改善了CF与水泥基体的界面结合状态，这是宏观性能提升的微观本质。
本研究证实了将纳米材料GO与宏观纤维CF相结合，实现水泥基材料多尺度协同改性的可行性，为开发高性能、高耐久性水泥基复合材料提供了有效的技术途径。