石墨烯氧化物應用在混凝土_ 無機(#62*)*進行中

2016-01-01

回頭看看上一篇發表的文章都快三個月了，一則怕讀者以為我不務正業了，二則實在是研發費用不足，中國投資方說要提供的經費一直沒到我手上，但事情還是要做，總不能半途而廢。從事石墨烯研發快三年了，從一開始取得量產的欣喜到第二階段的戒慎惶恐 (擔心石墨烯只能適用在某些領域上)，到現在的柳暗花明逐步證明石墨烯甚麼都行，我還是相信我能改變這個世界的。這段時間我們還是有幾個研發成果，包括：抗靜電 PP 母粒抽紗及混凝土砂漿，今天就來說說混凝土吧。

混凝土是一類具有高脆性和多孔性的複合材料，容易出現裂縫、滲透和遭受衝擊損壞等問題。從早期的鋼筋混凝土、預應力混凝土到目前的依靠各種增強纖維和外加劑的高性能混凝土，其目的都是要提高混凝土的強度和耐久性，同時也說明混凝土技術一直圍繞著提高強度特別是提高韌性的核心在不斷地發展之中。目前提高混凝土抗衝擊韌性的主要方法是依賴於高強度的鋼材和各種高性能的纖維，實現提高混凝土強度的同時提高韌性、降低脆性，其結果是在提高韌性、降低脆性方面的效果不顯著，卻導致了高性能混凝土的高成本和資源的高消耗。究其原因是人們的研究思路還主要是通過向混凝土中加入各種增強增韌材料來提高強度和韌性，忽視了對水泥水化過程形成的自身結構改變，儘管有人發現超細石灰石、納米 SiO2、超細粉煤灰等摻入混凝土中，具有促進水泥 C3S水化產物鈣礬石 (AFt)、硫鋁酸鈣 (AFm)、氫氧化鈣 (CH)、凝膠體 (C-S-H) 等形成微晶體而顯示增韌增強的效果，但這種增韌增強的效果有限。

通常要進行一個項目前我會先檢索相關的文獻與專利，在中國進行相關研究可參考的數據有限，我大致以文獻「氧化石墨烯對水泥水化晶體形貌的調控作用及對力學性能的影響」、「氧化石墨烯納米片層對水泥基複合材料的增韌效果及作用機制」及專利「CN103058541A-氧化石墨烯作為水泥早期強度增強劑的應用」做參考。我們選擇台灣台中逢甲大學土木工程系二位教授合作，採用卜特蘭一型水泥、標準硅砂、PC (聚羧酸系減水劑)及三款不同含氧率石墨烯氧化物做砂漿試片，並依 CNS1012做流度試驗尋找最佳水灰比，及 CNS3037 做養護齡期及 CNS1010 抗壓試驗等三類試驗。

本研究以三款不同含氧率 ( 26.86%、38.55%、43.6% ) 的石墨烯氧化物與 PC摻雜後，再加入水及砂漿，並依CNS1012規範進行流度試驗，先確認最佳水灰比分別為：

1). 對照組 (NC)╱水泥：砂 = 1：3；

2). PC組╱水泥：砂：PC = 1 ：3：0.002；

3). GO組╱水泥：砂：GO = 1：3：0.002；

4). PC+GO組╱水泥：砂：PC：GO = 1：3：0.002：0.002。

第一階段找出各組最佳水灰比與增減率比較發現整體表現：

PCGO ( 26.86% )n> PCGO ( 38.55% ) > PC > PCGO ( 43.6% ) > NC > GO ( 26.86% ) > GO ( 38.55% ) > GO ( 43.6% )

接著依 CNS3037 規範進行養護齡期及 CNS1010 規範進行抗壓試驗，分別進行 3、7、28 天齡期試驗，各齡期最小抗壓強度分別為：122 kgf╱cm2、193 kgf╱cm2及285 kgf╱cm2。經 3 天齡期抗壓強度成長率與對照組比較發現：

PCGO ( 38.55% ) > PCGO ( 26.86% ) > PC > PCGO ( 43.6% )n> NC > GO ( 38.66% ) > GO ( 43.6% ) > GO ( 26.86% )

基本上發現以下結論：

1. 氧化程度越高，則強度越強。一般石墨烯氧化物工藝需 30 小時才會使含氧率趨於最高點，本研究的含氧率最多僅作用 1 小時，含氧率低於 15%，而實驗組含氧率最高約 27%；這代表未來還可以進一步提升性能。

2. 對照組抗壓強度成長率為 38.9%，我們以較低含氧率就已經達到 72%，甚至本研究 30 分鐘組已優於文獻表現；

3. 本研究 60 分鐘組抗壓強度 303 kgf╱cm2，為 3天齡期抗壓強度 120 kgf╱cm2的 250%，顯示石墨烯氧化物與PC的鍵結的確可以提高混凝土的增韌效果。

我們知道水泥與水混合產生水化作用成為一漿體將砂、石膠結在一起，此漿體水化作用完成之後漿體硬化連同砂、石成為硬固混凝土。水泥須要水以便產生水化作用，混凝土拌合時所加的水遠大於產生水化作用所需要的水，對水化作用來說這種水是多餘的，供給水化作用以外的水是用於讓混凝土有足夠的塑性以方便施工，施工完之後這種多餘的水將從硬固混凝土中逐漸揮發掉，留下一些空隙。空隙留得越少，混凝土強度就越高。因此，在水泥、砂、石的比例不變的情況下，水加得越少，混凝土強度就越高。【水灰比】是【水】與【卜特蘭水泥】的【重量比】，以小數表示，例如，400 公斤的水泥加了 180 公斤的水，則水灰比等於 180公斤╱400公斤等於 0.45。這也是我們在第一段做「流度試驗」的主要考慮。

近期將持續 7 天及 28 天齡期試驗，在量測抗壓強度完成第一階段研究。我們認為過去研究歸納為含氧率是提高機械強度的主因太過籠統，將進一步觀察石墨烯氧化物及 PC間聚合狀況，甚至獨立設計腔室來模擬觀察聚合及水分蒸髮狀況，因為這兩個變數才是我們認為影響混凝土機械性能的主因。以參考組在齡期試驗 3 天與 28 天比較就可以提升 1.8 倍計，我們推判 28 天之抗壓強度將大於 545 kgf╱cm2，將遠高於目前市面上的混凝土，而單位成本卻只增加 0.1 元，將對於提高混凝土建築的耐久性和安全性具有積極的意義。