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濱海環(huán)境下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)易受海水侵蝕，引發(fā)結(jié)構(gòu)腐蝕開(kāi)裂。其中，氯離子引發(fā)的鋼筋銹蝕是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的主要原因。為了解決腐蝕問(wèn)題，使用耐腐蝕型鋼筋、緩蝕劑、表面涂層以及陰極保護(hù)等方法被紛紛提出，然而上述方法仍具有成本高、改性效果不足的問(wèn)題。改性混凝土組成成分能夠改善水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)，已被證明是可靠的防腐蝕手段。其中，摻入納米材料已被證明能夠通過(guò)減緩鋼筋腐蝕，降低腐蝕誘發(fā)的混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

石墨烯（G）和氧化石墨烯（GO）均屬于石墨烯類(lèi)納米材料，能夠改善水泥微觀結(jié)構(gòu)，減少裂縫形成，具有鋼筋防腐蝕應(yīng)用的潛力。但其對(duì)混凝土的流動(dòng)性、和易性具有負(fù)面影響。?；郀t磨細(xì)礦渣（GGBFS）能夠改善G與GO基水泥漿體材料的流動(dòng)性。然而，尚未有針對(duì)GGBS對(duì)復(fù)合石墨烯基納米材料混凝土進(jìn)行耐腐蝕性能的研究。

印度圣約瑟夫工程學(xué)院C. Bhojaraju課題組研究了G與GO對(duì)水泥基復(fù)合材料耐腐蝕性能的影響，并采用GGBFS調(diào)整材料的新拌性能，證實(shí)了在石墨烯基混凝土中添加GGBFS可以顯著提高復(fù)合材料的耐腐蝕性能。相關(guān)論文以“Influence of GGBFS on corrosion resistance of cementitious composites containing graphene and graphene oxide”為題，于2023年發(fā)表在Cement and Concrete Composites上。

（1）力學(xué)性能

圖 1 養(yǎng)護(hù)7d水化產(chǎn)物的SEM圖：（a）G（b）GO

本文共使用14種配合比，名稱(chēng)列于表1中。采用前人推薦的水膠比0.35，以獲得可使用的G/GO基納米復(fù)合水泥基材料。GGBFS替代硅酸鹽水泥比例從15%-45%不等。對(duì)制得的試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明，使用不含GGBFS的納米復(fù)合水泥基材料可提高混凝土在所有養(yǎng)護(hù)期的抗壓強(qiáng)度；此外，使用較低劑量的G和GO（0.03%）比劑量為0.06%時(shí)更有效，這主要是因?yàn)楹写罅考{米顆粒的膠凝材料傾向于團(tuán)聚，難以在水泥中分散。僅添加GGBFS時(shí)，養(yǎng)護(hù)初期強(qiáng)度降低，28 d強(qiáng)度顯著提高。其中，最佳摻量為30%，超過(guò)此含量后，其僅作為填料，而非膠凝材料發(fā)揮作用。值得注意的是，納米材料與GGBFS協(xié)同作用可顯著提高28 d抗壓強(qiáng)度，且在早期不影響材料抗壓強(qiáng)度。

通過(guò)進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)試，證實(shí)了納米材料能夠改善水泥基材料的抗彎性能。G復(fù)合材料比GO復(fù)合材料具有更高的抗彎強(qiáng)度，可能歸因于GO內(nèi)部環(huán)氧基團(tuán)使其具有更好的延展性能，導(dǎo)致較低的抗彎強(qiáng)度。SEM圖像進(jìn)一步證明，GO在納米尺度具有成核效應(yīng)，而G在控制裂紋寬度方面具有顯著影響，如圖1所示。

圖 2 納米材料對(duì)GGBFS改性水泥基材料的半電位的影響: (a)納米改性水泥復(fù)合材料;(b)不同比例的GGBFS替代水泥復(fù)合材料;(c) 15% GGBFS和0.03%納米材料;(d) 30% GGBFS和0.03%納米材料;(e) 45% GGBFS和0.03%納米材料

圖 3 納米材料對(duì)GGBFS改性水泥基材料電阻率的影響

圖 4 納米材料對(duì)GGBFS改性水泥基材料線(xiàn)性極化結(jié)果的影響

圖 5 納米材料對(duì)GGBFS改性水泥基材料

加速腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

圖 6 腐蝕失效時(shí)間

半電池電位法能夠用于測(cè)量鋼筋的腐蝕速率。將納米改性水泥基材料試樣分別浸泡于飲用水與3 wt%鹽水中，浸泡180 d進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如圖2所示。隨著浸泡時(shí)間的增加，半電池電位逐漸降低，結(jié)果表明，在水中浸泡30 d之前，低劑量GGBFS對(duì)腐蝕概率影響不大，使用大于15%的GGBFS可以顯著降低腐蝕概率（圖2 b）；GO-GGBFS的協(xié)同作用比G-GGBFS的防腐蝕效果更好。綜合上述測(cè)試結(jié)果，在含GO的混合物中添加30%的GGBFS是最具耐腐蝕性能的配合比。

通過(guò)測(cè)試混凝土電阻率進(jìn)一步分析水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)特性。由于水化會(huì)降低孔隙度和孔隙間聯(lián)系，水化程度會(huì)影響電阻率。如圖3（a）所示，納米材料的類(lèi)型對(duì)水泥基材料的電阻率在所有齡期均無(wú)明顯影響。不含納米材料，僅摻入GGBFS情況下，材料電阻率顯著提高（圖3 b）。對(duì)比圖3（c-e）結(jié)果可知，G的摻入降低了GGBFS的電阻率，而GO起到了提高作用，可能歸因于與含G的樣品相比，含GO的水泥基材料能夠產(chǎn)生花狀晶體（圖1），為具有高表面積的GGBFS顆粒提供了足夠的空間，以改善微觀結(jié)構(gòu)；較高劑量的GGBFS在水泥基體中產(chǎn)生額外的C-S-H凝膠，產(chǎn)生了更致密的微觀結(jié)構(gòu)。

通過(guò)線(xiàn)性極化電阻測(cè)試了樣品的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)（圖4）。可以觀察到，G和GO的摻入均增加了鋼筋的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，且摻入G樣品的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高（圖4 a），可能歸因于兩者良好的導(dǎo)電性，加之GO的加入在初期增加了水泥基體中的鈣含量，可能增加pH值并有助于抵抗氯離子的侵蝕；圖4（b）中，僅摻入45% GGBFS樣品即使在后期也有較好的耐腐蝕特性。進(jìn)一步地，存在GGBFS情況下，摻入G可能增加了腐蝕電流密度，產(chǎn)生不利影響；而GO的摻入能夠提高耐腐蝕特性。其中，摻入45% GGBFS和0.03% GO的水泥基材料耐腐蝕性能最佳。該現(xiàn)象歸因于高劑量的GGBFS在提高長(zhǎng)期耐久性的同時(shí)，延緩了水化過(guò)程，而GO的摻入彌補(bǔ)了這種水化延遲。

通過(guò)加速腐蝕試驗(yàn)（圖5），腐蝕電流隨時(shí)間變化低速衰減，但在一定時(shí)間后突然增大，與試件開(kāi)裂一致。因此，電流突然上升時(shí)間，即為腐蝕開(kāi)始發(fā)生時(shí)間。僅摻入納米材料時(shí)，腐蝕時(shí)間提前，歸因于G和GO的碳基性質(zhì)增加了腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，且隨著摻量的升高，腐蝕時(shí)間提前（圖5 a）。僅添加GGBFS時(shí)，摻量為45%具有較高的耐腐蝕性。存在GGBFS情況下，摻入GO比G能夠更好地延遲腐蝕發(fā)生。提取樣品腐蝕發(fā)生時(shí)間，并繪制于圖6中。可以看出，單獨(dú)摻入納米材料時(shí)，G比GO更能延緩腐蝕發(fā)生；對(duì)于復(fù)合材料，GO的摻入能夠極大延緩GGBFS復(fù)合水泥基材料的腐蝕，且對(duì)于摻入30%和45%的GGBFS水泥的腐蝕失效時(shí)間分別增加了20.7%和151.9%。

本文研究了粒化高爐磨細(xì)礦渣（GGBFS）摻入對(duì)水泥基材料的耐腐蝕性能的影響，并分別復(fù)摻石墨烯（G）和氧化石墨烯（GO）進(jìn)行腐蝕測(cè)試，主要研究結(jié)論如下：

1. G和GO的摻入增加了所有齡期的力學(xué)特性，特別是使用較低的劑量（0.03%）。GGBFS初期降低了混凝土早期的抗壓強(qiáng)度，而在最佳摻量為30% GGBFS時(shí)，摻入和不摻入納米材料的水泥力學(xué)強(qiáng)度均有顯著提高；

2. 混凝土電阻率結(jié)果表明，添加G和GO會(huì)略微降低混凝土的電阻率（提高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)），特別是對(duì)于含有GO的樣品。然而，GGBFS的加入通過(guò)提高混凝土的電阻率，顯著降低了腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，G-GGBFS和GO-GGBFS復(fù)合材料耐腐蝕性能提升分別為238%和287%；

3. 半電池電位測(cè)試結(jié)果表明，使用G和GO可使復(fù)合材料的電位分別降低7.8%和3.1%，其腐蝕風(fēng)險(xiǎn)低于對(duì)照組。添加30%的GGBFS能夠通過(guò)增加電位，降低含G（19.6%）和含GO（42.7%）復(fù)合材料的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；

4. 線(xiàn)性極化電阻測(cè)試結(jié)果表明，含有G和GO的復(fù)合材料具有更高的電流密度，表明其腐蝕速率更高。GGBFS的加入大大降低了電流密度，實(shí)現(xiàn)了具有低腐蝕速率的復(fù)合材料制備；

5. GGBFS與GO具有很強(qiáng)的協(xié)同作用，45%的GGBFS和0.03%的氧化石墨烯的復(fù)配可以顯著降低電流密度，浸泡180 d測(cè)試所得腐蝕速率降低40%。從加速腐蝕試驗(yàn)中獲得的失效時(shí)間結(jié)果表明，僅添加G和GO導(dǎo)致更早的腐蝕失效。然而，在含有45% GGBFS的水泥基材料中，使用GO可以將腐蝕失效時(shí)間延長(zhǎng)156%。