第1416期-氧化石墨烯性質及在混凝土工程應用可行性探討(三)

黃兆龍 土木技師/臺灣科技大學特聘教授/美國伊利諾大學材料博士

(續14145期6版)

(四)石墨烯與水對泥基體的相容性

石墨烯的優良的導電、導熱性能如理想化利用於水泥基複合材料中,發展智能水泥混凝土材料,實現混凝土結構的即時安全監控使用,同時亦可利用其良好的導熱性能,改善巨積混凝土的溫度裂縫。然而水泥基材料是包含各類卜作嵐礦物摻料和外加劑的複合材料,在考慮石墨烯在水泥基材料中的分散時,還要考慮經過處理後的石墨烯特性的影響。此刻石墨烯與水泥基體的相容性,石墨烯在基體中的穩定分散,宜考慮選擇適當的表面活性劑,這些仍需要廣泛收集及分析大量的研究資料,保證石墨烯均勻分散、低成本和表面活性劑與基體的良好相容性,實現石墨烯在基體中最大程度的分散效益。但石墨烯在水泥中的作用機理並不明確下,石墨烯的摻加對水泥的水化產物和微觀結構的影響也沒有系統化的研究。對水泥複合材料微觀結構和力學性能的影響,有結果顯示含氧量為25.43%的氧化石墨烯能夠調控水泥水化反應形成規整的花朵狀晶體,使得水泥基複合材料的強度特別是拉伸強度和抗折強度顯著的提高,提出了氧化石墨烯調控水泥水化產物微觀結構的作用機理,認為氧化石墨烯在水泥水化過程起到模板作用具有組裝效果,能夠調控水泥水化晶體的微觀結構,而可顯著提高水泥漿體韌性的新方法。目前推測石墨烯是以網狀方式分佈,與水泥漿的結合透過卜作嵐反應將膠體附著於石墨烯表面上的握裹鍵結,而氧化石墨烯則部分邊界與水泥水化物相結合,而提高部分石墨烯特性。此方面的驗證可以依據石墨烯與氧化石墨烯的粒徑來評估其摻配比率為7比13,理想上在此範圍內加以調整應可得到表面吸附及化學鍵結的效果。

五、結論

直到今天,普通卜特蘭水泥仍然是土木工程領域的首選建築材料,因其來源廣泛、價格低廉,成為建築上無法被取代的原料。迄今水泥的全球產量已突破40億噸,滿足了人類對城市化、現代化建築和基礎設施建設的渴望。水泥作為一種將砂石骨料集聚在一起的主要粘合劑,在水的作用下發生水化反應製備出水泥基複合材料,具有優良的抗壓強度。然而,水泥基複合材料的最大弱點在於脆性,歸因於它自身結構有著較低的應變能力,導致其抗裂性能差、抗拉伸性能差。根據骨料、水泥、水的混合比例,混凝土的抗拉強度在 2~8MPa 之間。為了提高水泥基複合材料的性能,許多研究人員試圖通過使用外加劑、輔助膠凝材料或纖維材料來提升水泥基複合材料的性能。纖維增強混凝土(FRC)就是個很好的例子,於60 年代,廣泛應用於牆面、橋面、抗震結構的預製混凝土等,可以有效增強混凝土的韌性和抗拉伸強度。此外,纖維摻入混凝土可以減少混凝土大範圍裂紋以及細微裂紋的產生。惟纖維仍不能阻止混凝土奈米尺度上的裂紋萌生,因此,奈米材料的加入是有必要的。近代發展的石墨烯奈米材料具有不可思議的抗拉強度,比鋼鐵還強,正好可以補足混凝土的缺失,而且想像可以如同鋼鐵網,有效遏制混凝土裂縫的產生,改善其力學性能。根據這些奈米材料的形態可以分為零維(0D)奈米顆粒、一維(1D)奈米纖維和二維(2D)奈米片層。奈米材料因其具有很大的比表面積,有利水泥發生水化反應生成水化產物,但奈米材料之間存在強大的范德瓦爾斯力,容易造成團聚現象,制約著水化產物的生成,需要額外的水潤濕奈米材料的大表面積,從而影響混凝土的可加工性。

由以上的回顧,加上本研究團隊過去的研發實務經驗、應用高性能混凝土緻密配比理論、採用多組系材料巨微觀尺寸緻密堆疊理論、使用高性能強塑劑、高效參核心拌和系統,將石墨烯及氧化石墨烯捺合加入混凝土系統內,相信可以因此發展出超高性能混凝土,而加大未來應用範疇,當然先決條件是石墨烯及氧化石墨烯生產成本可加以控制至良好的性價比(CP值),經濟可期的話,其應用前途無可限量。

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