مطالعه آزمايشگاهي تأثير نانو ذرات گرافن‌اكسايد بر روي رفتار مكانيكي كامپوزيت‌هاي سيماني و مشخصه‌‌هاي انتقال آب در بتن

Experimental investigation on mechanical and water transport properties of cement composites containing graphene oxide

در اين مطالعه، يك برنامه آزمايشگاهي به منظور بررسي تأثير گرافن‌اكسايد (GO) بر روي رفتار مكانيكي ماتريس‌هاي سيماني و همچنين نفوذپذيري بتن تدوين شده است. نانو ذرات گرافن به دليل مساحت سطح بالا و دانسيته پايين در كمترين مقدار مي‌توانند تأثير چشمگيري در خواص بتن داشته باشند. اين نانو صفحات ساختار صفحه‌اي دارند كه هيدروفوب است و آب به دليل تمايل نداشتن به سطح گرافن در آن جاري نمي‌شود. با عاملدار كردن اين نانوذره مي‌توان خواص آبگريزي را به خواص آبدوستي تبديل كرد. در اين پژوهش نمونه‌هاي ملات سيمان 28 روزه با درصدهاي متفاوت گرافن‌اكسايد (از 0 % تا 0/2 % وزني سيمان (bwoc)) تحت آزمايش‌هاي كشش، فشار و خمش، نمونه‌هاي خميره سيمان 28 روزه با درصد‌هاي گرافن‌اكسايد bwoc (0/05-0) % تحت آزمايش‌هاي كشش و فشار، نمونه‌هاي بتن 28 و 90روزه با درصد‌هاي گرافن‌اكسايد bwoc (0/2-0) % تحت آزمايش فشار و نمونه‌هاي 28 روزه بتن با درصد‌هاي گرافن‌اكسايد bwoc (0/2-0) % تحت آزمايش نفوذپذيري با استفاده از دستگاه "محفظه استوانه‌اي" قرار گرفتند. مطالعات نشان مي‌دهد كه گرافن‌اكسايد باعث بهبود رفتار كششي، خمشي و فشاري ملات سيمان مي‌شود به‌طوري‌كه افزايش در مقاومت‌هاي خمشي و كششي بيش‌تر از مقاومت فشاري است. در نمونه‌هاي ملات مسلح با bwoc 0/05 % گرافن‌اكسايد افزايش در مقاومت كششي 70 % و در مقاومت خمشي 22 % مشاهده شد. نمونه‌هاي خميره سيمان با bwoc 0/03 % گرافن‌اكسايد هم افزايش 43 % در مقاومت فشاري و 52 % در مقاومت كششي را نشان دادند. همچنين اندازه‌گيري مقاومت فشاري بتن نشان داد با افزودن bwoc 0/1 % گرافن‌اكسايد به بتن، مقاومت فشاري 28روزه تا 25 % و 90روزه تا 50 % افزايش مي‌يابد. نتايج آزمايش نفوذپذيري نشان مي‌دهد كه افزودن گرافن‌اكسايد به بتن مي‌تواند به طور مؤثري از نفوذ بيشتر آب به داخل بتن جلوگيري كرده و باعث بهبود دوام بتن شود.

Recent investigations show that graphene oxide nanoparticles (GO) are promising nano-sized additives to enhance the mechanical property of cementitious materials. GO are the product of chemical exfoliation of graphite and contain a range of reactive oxygen functional groups that enable it as a suitable candidate for reaction in cementitious materials through physical functionalization. In this paper, the experimental program is performed to study the mechanical and water transport properties of GO-reinforced cement composites. Experimental results show, adding GO improved the tensile, flexural, and compressive strengths of mortar with the increase in flexural and tensile strength more than that of compressive strength. Especially, the tensile and flexural strength, when the content of GO was 0.05% bwoc, the cement mortar exhibited remarkable increase by 70% and 22% respectively, comparing with those without GO. Particularly, the compressive strength of concrete incorporating 0.1% by weight of cement GO increased by 25% and 50% than those of concrete without GO after curing for 28 days and 90 days respectively. The strengths enhancement can be attributed to the promotion of hydration and the finer pore structure of cement paste incorporating GO. There are thresholds for all mechanical strengths of cement mortar incorporating GO where the GO content exceeds the threshold, the decrease in strength is observed which can be attributed to the deformation of the hydration crystals by the change in the dosage of GO in the matrix. Penetration test results indicate that the incorporation of a very low fraction of GONPs can effectively hinder the ingress of water molecules. It can be concluded that adding GONPs improve the transport properties of concrete which subsequently improves its durability.