关键词：
石墨烯量子点
二维纳米材料
剥离
分散性
高性能水泥基材料
摘要：
随着我国改革开放进程的推进和基础设施的大力建设,普通水泥基材料的性能已经不能满足人们对于特殊结构工程的要求,高性能和超高性能已经成为水泥基材料的发展趋势。新兴的二维（Two-dimensional,2D）纳米材料改性技术与水泥基材料的结合是提升水泥基材料性能的一种可靠手段。然而,2D纳米材料在水泥基材料中的有效应用受限于其在水泥基质的高碱性和复杂离子环境下的分散难题。因此,急需研发一种新型、简单、低成本且通用的分散手段,以促进2D纳米材料在水泥基材料中的应用,助力水泥基材料高性能化和超高性能化发展。
石墨烯量子点（Graphene quantum dots,GQDs）作为一种新型的纳米碳基材料,具有独特的荧光可调性、优异的光稳定性、良好的生物相容性、卓越的催化性、低毒环保等优点,已被广泛应用于各个领域。本课题基于GQDs优良的特性,挖掘其对2D纳米材料的剥离分散潜力,探究其对纳米复合水泥基材料的早期水化、力学性能和微观结构的影响并进行机理分析,以此研发出适用于水泥基材料性能提升的高效2D纳米材料分散方法,进一步证明2D纳米材料在实际工程中的应用价值及前景。具体研究内容如下:
（1）以廉价易得的石墨相氮化碳（Graphitic carbon nitride,CN）为探索对象,研究GQDs对CN纳米片分散性能的影响。在超声作用下,两亲性GQDs对CN的结构进行了调整,显著减少了褶皱边缘,且总孔体积显著增加了69.25%,使得CN具有更大的比表面积、更小的孔径和更高的分散度。与B-CN（块体CN）和U-CN（超声分散的CN）相比,G-CN（GQDs辅助剥离的CN）的比表面积,达到32.9170 m2 g-1,分别增加了183.44%和44.43%。此外,根据G-CN特性和GQDs性质,将GQDs辅助超声处理CN剥离机理归结为GQDs的插层、剥离和表面活性作用。
（2）基于GQDs剥离的2D纳米片CN对复合水泥基试样的物化组成成分、微观结构和力学性能分析,发现了CN分散体对水泥水化进程和微观结构的影响显著,特别是在早期阶段。此外,高分散G-CN更有利于加速水泥水化和细化微观结构,从而使水泥浆体7天养护后的抗压强度比U-CN和B-CN分别提高10.1%和25%,这归因于分散良好的G-CN提供的更有效的成核和填充效果;
（3）应用GQDs材料于多种2D纳米材料中,研究GQDs辅助剥离2D纳米材料的通用性。结合TEM、XRD、Raman、FTIR、BET和UV-vis等实验表征GQD对2D纳米材料处理前后的分散程度,揭示了GQDs对2D纳米材料的剥离机理。主要剥离分散机理可以归结为:一方面,GQDs表面含有-OH、-COOH等亲水基团,可以吸附在2D纳米材料表面,增加其水溶性;GQDs在表面的耦合作用还可以作为表面活性剂,成功阻止2D纳米材料在混合过程中的再团聚。另一方面,GQDs可以增加2D纳米材料的比表面积。同时,GQDs可以吸附在2D纳米材料表面,提供更多的活性位点,从而提高了2D纳米材料在水泥反应过程中的接触面积和反应活性。可以认为GQDs辅助超声分离是一种直接、有效、通用的分散方法,能够有效促进2D纳米材料在水泥基体中的稳定分散;
（4）引入GQDs辅助剥离的高分散2D纳米材料作为水泥基材料改性剂,结合力学性能测试以及XRD、TGA、SEM和BET等实验,研究不同分散方法下2D纳米材料对水泥基材料水化进程、力学性能和微观结构的影响。研究表明,水泥基材料抗压强度和抗折强度变化趋势直接反映了不同分散度的2D纳米材料对水泥水化进程的影响,分散度较高的2D纳米材料可以使水泥基材料表现出更好的力学性能。尽管传统超声分散的纳米材料可以提高水泥基材料的强度,但水泥基体微观结构仍存在大量缺陷,特别是2D纳米材料会导致水化产物CH的定向生长。而本研究提出的分散方法有效抑制了2D纳米材料在水泥基体中的再团聚,实现了水泥基材料水化产物的生长调控和微观结构致密化。同时,基于GQDs剥离的2D纳米材料直接增加了水化产物量和水泥的水化程度,并未改变水化产物的组成。这表明,GQDs辅助剥离作用使得2D纳米材料能够有效发挥其纳米效应,这主要体现在对水泥水化的促进程度上,这也是水泥基材料性能提升的主要原因。
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