气候变化条件下石墨烯纳米板对混凝土碳化深度的影响

发布时间:2022-06-14 12:02:57 来源:爱游戏娱乐官网 作者:爱游戏app官方下载

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  哈尔滨工业大学张英姿老师团队,主要研究方向包括钢筋混凝土材料、构件及结构耐久性、抗震性能研究。

  如今的气候变化在过去几十年甚至几千年时间里都是前所未有的,这对混凝土结构的机械性能产生了不利影响,许多研究人员已经开始研究新的混凝土材料。石墨烯纳米板 (GNP) 是一种具有吸引力的纳米材料,可以改变混凝土的晶体结构,提高耐久性。本文主要研究GNP (0.05%wt) 在模拟变化的气候条件 (改变温度、相对湿度和二氧化碳浓度) 下对混凝土碳化深度的影响,并与普通混凝土进行比较。当二氧化碳的浓度变化时,石墨烯混凝土的碳化深度比普通混凝土低10%-20%。当温度低于33℃时,石墨烯混凝土的碳化深度小于对照样品的碳化深度;然而,当温度在33℃以上时,GNP的导热性提高了石墨烯混凝土的碳化反应速率。当湿度为变量时,石墨烯混凝土的碳化深度小于普通混凝土的15%-30%;而当湿度高于78%时,普通混凝土与石墨烯混凝土的碳化深度差异逐渐减小。总体结果表明,在变化的气候条件下,GNP具有良好的抗碳化性能。

  本实验使用42.5级的普通波特兰水泥来制作砂浆混合物,其主要化学特性见表1。根据研究小组的初步试验结果,当石墨烯含量占水泥质量的0.05%时,石墨烯混凝土具有较高的抗压强度和耐久性。因此,本试验将GC0.05作为石墨烯混凝土的研究用量。石墨烯混凝土的混合料如表2所示。

  在经过28天的固化期后,取出试样。采用三个石墨烯混凝土 (GC0.05) 样品和三个相应的样品 (GC0) 测量28天抗压强度。

  混凝土碳化是一个化学过程,大气中的二氧化碳与Ca(OH)2反应形成CaCO3。通过测量GC0和GC0.05在7、14、21、28、35和42天的碳化深度,推测二氧化碳浓度变化对混凝土碳化深度的影响。

  碳化反应是一个放热反应,温度的增加将加速二氧化碳的扩散速度,并提高离子之间的运动速度。通过测量GC0和GC0.05在7、14、21、28和35天的碳化深度,研究了温度变化对混凝土碳化深度的影响。

  环境的相对湿度对混凝土的碳化反应非常重要,因为它将影响混凝土孔隙水的含量。通过测量GC0和GC0.05在7、14、21、28和35天的碳化深度,研究了湿度变化对混凝土碳化深度的影响。

  为了解石墨烯在不同模拟环境下对混凝土微观性能的影响,采用了尺寸为4×4×4毫米的试样进行微观结构形态测试,这些试样是由普通混凝土样品获得的。

  在进行了规定天数的碳化试验后,将样品从碳化室中取出。取三个样品为一组,每组的平均碳化深度为三个试样测试结果的算术平均值作为测量值。

  在实验中,GC0和GC0.05的28天抗压强度分别为31.2和37.6MPa。GC0和GC0.05被置于不断变化的二氧化碳浓度情况下 (浓度范围为6%-10%),而相对湿度和温度分别为65%和25℃。参考样品的微观结构显示如图2所示。

  根据现有文献,石墨烯可以填充在水泥基产品的空隙中,因此可以提高水泥的水化速度和程度,也可以改变水化产物的大小和形状。然而,考虑到石墨烯不参与水泥的水化反应,所以水泥产品的类型不会发生变化 (图3)。

  两组混凝土试样被置于变化的温度环境中,温度范围为25-45℃,而二氧化碳浓度和相对湿度分别为6%和65%。GC0和GC0.05的28天抗压强度分别为32.5和38.3MPa。普通混凝土的微观结构如图5所示。

  如图6a所示,当温度达到29℃时 (碳化时间为7天),可以看到棒状的C-S-H凝胶和CH晶体相互连接,并形成少量球形的CaCO3晶体。

  两组混凝土试样被置于相对湿度不断变化的环境中,湿度范围为50%-85%,而二氧化碳浓度和温度分别为6%和25℃。GC0和GC0.05的28天抗压强度分别为33.2和39.1MPa。图8和图9显示了不同湿度下混凝土的SEM图像。

  图9.石墨烯混凝土在不同腐蚀湿度下的SEM图像。(a) 无腐蚀;(b) 湿度71% (时间21天);(c) 湿度85% (时间35天)。

  本文研究了石墨烯对模拟变化气候条件下混凝土碳化深度的影响,进行了一系列实验性探索。石墨烯混凝土采用最佳用量0.05%wt。本项研究工作准备了GC0和GC0.05试样进行加速碳化实验。主要结论如下:

  (1) 当二氧化碳的浓度从6%变为10%时 (温度为25℃,湿度为65%),揭示了不同腐蚀程度的混凝土碳化深度和微观结构的变化。研究结果表明,石墨烯的加入可以延迟混凝土的碳化反应。

  (2) 当温度从25℃变为45℃时 (湿度为65%,CO2浓度为6%),试验结果表明,在不同的温度范围内,GNP对混凝土具有不同的影响。在25-33℃,GNP的加入提高了混凝土的抗碳化能力;然而,在33℃以上,GNP混凝土并不能延缓混凝土的碳化。这意味着石墨烯混凝土可能增加高温地区混凝土的碳化率。此外,在未来的工作中,还可以研究不同等级石墨烯混凝土与温度及其他参数之间的关系。

  (3) 当湿度从50%变为85%时 (温度为25℃,CO2浓度为6%),石墨烯混凝土的碳化深度比普通混凝土低15%。

  (4) 在模拟气候变化的条件下,混凝土碳化的影响因素依次为CO2浓度、湿度和温度。

  本文仅讨论了气候变化条件下石墨烯对混凝土碳化深度的影响,但在实际应用中,混凝土是在冻融循环与碳化、酸雨、碳化等因素综合作用下进行的,需要进一步研究。

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