【摘 要】
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水泥基材料是建筑和基础设施建造中最常用的材料之一,而抗裂性较差等特性限制它的应用,对结构的耐久性产生不利的影响。为了改善这些问题,将纳米材料引入水泥基材料中成为了研究热点。石墨烯拥有其它纳米材料无法比拟的优势,如非凡的物理化学性能、显著的纳米尺寸效应和表面效应,因而被广泛应用于制造高性能复合材料以提高其耐久性能。本文在国家自然科学基金项目“海工预应力混凝土结构耐久性能提升技术与设计理论研究（517
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“海工预应力混凝土结构耐久性能提升技术与设计理论研究（51778272）”；
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水泥基材料是建筑和基础设施建造中最常用的材料之一,而抗裂性较差等特性限制它的应用,对结构的耐久性产生不利的影响。为了改善这些问题,将纳米材料引入水泥基材料中成为了研究热点。石墨烯拥有其它纳米材料无法比拟的优势,如非凡的物理化学性能、显著的纳米尺寸效应和表面效应,因而被广泛应用于制造高性能复合材料以提高其耐久性能。本文在国家自然科学基金项目“海工预应力混凝土结构耐久性能提升技术与设计理论研究（51778272）”的资助下,以石墨烯纳米片（Graphene Nanoplatelets,GNPs）为研究对象,制备改性水泥基材料,通过宏观试验和微观表征相结合的方法,研究GNPs对水泥基材料耐盐腐蚀性能的影响,同时对GNPs改善的作用机理做一定的探索。主要研究工作及结论如下:（1）氯盐浸泡环境下GNPs改性水泥砂浆耐久性研究。将GNPs（掺量为0.00wt%、0.02wt%、0.06wt%、0.10wt%）改性水泥砂浆放在Na Cl溶液（浓度为3%、5%和10%,质量百分比）中浸泡120 d、180 d和240 d;通过快速氯离子含量检测试验（Rapid Chloride Test,RCT）对自由氯离子浓度进行检测,研究Na Cl浓度、浸泡时间和GNPs掺量对其影响规律。结果表明:1)自由氯离子浓度与腐蚀溶液浓度、浸泡时间成正相关。氯离子以浓度因素为驱动在水泥基材料的传输具有不稳定扩散的特性。与在3%Na Cl中浸泡240 d相比,5%Na Cl中的自由氯离子浓度提高不超过30%,10%Na Cl却能提高将近80%;与在10%Na Cl中浸泡120 d相比,180 d和240 d分别提高了46%～72%和93%～124%。2)自由氯离子浓度随GNPs掺量先减小后增大,0.06wt%GNPs掺量强化效果相对较好,在三种浓度下的氯离子浓度都能降低50%以上。（2）盐雾环境下GNPs改性水泥砂浆耐久性研究。将四种掺量的GNPs改性水泥砂浆放在盐雾箱（盐溶液为5%Na Cl）中雾化3 d、5 d和7 d;同样通过RCT试验检测自由氯离子浓度,研究雾化时间和GNPs掺量对其影响规律。结果表明:1)GNPs改性水泥砂浆的自由氯离子浓度随着雾化时间的增长而增加,且侵蚀深度在不断加深。与3 d相比,雾化5 d和7d后的自由氯离子浓度分别增大13%～40%和21%～47%。2)与普通水泥砂浆相比,0.06wt%GNPs改性水泥砂浆沿深度方向的氯离子含量雾化3 d、5 d和7 d后分别减少8%～31%、2%～41%和6%～37%。3)腐蚀方式影响着氯离子侵蚀水泥基材料的能力,氯盐长期浸泡侵蚀的效果要比盐雾短期加速侵蚀更真实。（3）开展GNPs对水泥砂浆微观结构影响研究。基于水泥基材料细观损伤破裂机理,对GNPs改性水泥砂浆取样,利用扫描电镜（SEM）以及能谱（EDS）分析其氯盐腐蚀后的微观形貌。结果表明:两种环境作用下,相比普通水泥砂浆中大量的微观裂缝和孔洞,GNPs对水泥水化作用有很好的促进,掺有GNPs的水泥砂浆微观结构更为紧密,尤其0.06wt%GNPs改性水泥砂浆展现出一定的抗氯离子侵蚀能力。（4）氯离子在GNPs改性水泥砂浆中扩散规律研究。对两种环境作用下的表观氯离子扩散系数D拟合并作评估。结果表明:GNPs改性水泥砂浆的表观氯离子扩散系数D同样存在时间依赖性。当GNPs掺量为0.06wt%时,该掺量的强化效果最明显。其中,氯盐长期浸泡腐蚀240 d和盐雾加速腐蚀7 d后,水泥砂浆抗氯离子侵蚀能力分别提高了58.2%和30.7%。本文主要研究GNPs对水泥砂浆耐腐蚀性能的影响,以腐蚀溶液浓度、腐蚀时间和GNPs掺量为主要考虑因素,相关研究成果可为今后在结构耐久性评估与寿命预测方面奠定基础。
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