《Next Nanotechnology》：Optimization of graphene nanoplatelet incorporation in cementitious composites using Taguchi and response surface method
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石墨烯纳米片（GNPs）已显示出改善水泥基复合材料性能的潜力，但其有效性在很大程度上取决于用量和分散质量。本研究调查了GNP用量（GNP dosage）和超声分散时间（ultrasonication time）对水泥基复合材料力学性能（mechanical p
石墨烯纳米片（GNPs）已显示出改善水泥基复合材料性能的潜力，但其有效性在很大程度上取决于用量和分散质量。本研究调查了GNP用量（GNP dosage）和超声分散时间（ultrasonication time）对水泥基复合材料力学性能（mechanical properties）、耐久性（durability）和微观结构性能（microstructural properties）的综合影响。采用Taguchi L9正交阵列（orthogonal array）设计了含有0.01%、0.05%和0.10% GNP（按水泥质量计）的混合料，并通过5、10和20分钟的超声分散处理。还制备了不含GNPs的对照组混合料。通过7天和28天抗压强度（compressive strength）、吸水率（water absorption）、可渗透孔隙（permeable voids）、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）、信噪比分析（signal-to-noise ratio analysis）、方差分析（analysis of variance, ANOVA）和响应面建模（response surface modelling）对混合料进行了评估。结果表明，含有0.01% GNP和20分钟超声分散的混合料达到了最高的28天抗压强度76.8 MPa，而对照组为67.4 MPa。同一混合料还实现了最低的28天吸水率7.47%，对照组为8.35%。在0.05% GNP和5分钟超声分散条件下获得了最低的28天可渗透孔隙含量，表明强度与孔隙网络细化相关，但并不总是由相同的机制控制。SEM观察显示，低GNP用量配合充分的超声分散促进了更致密的水化基体，而较高的用量则产生了不均匀区域和可能的团聚。统计分析证实，GNP用量是控制性能的主导因素，其次是超声分散时间及其交互作用。研究结果表明，在水泥基复合材料中有效使用GNPs需要低用量与充分分散能量的平衡组合，而不是单独增加GNP含量。
全球城市化进程加速了对高性能、耐久且环境可持续建筑材料的需求。水泥基材料如混凝土虽广泛使用，但存在脆性大、抗拉强度低、易开裂及抗侵蚀能力差等固有缺陷，且水泥生产贡献了超过3%的全球二氧化碳排放。纳米技术通过引入纳米添加剂可调控微观结构并提升性能。其中，石墨烯纳米片（Graphene nanoplatelets, GNPs）因其高比表面积、优异力学性能和导电导热性而备受关注，但其有效性高度依赖于用量和分散质量：低用量可起到纳米填充和促进水化的作用，而高用量易因范德华力团聚形成缺陷。现有研究多聚焦于单一变量（如固定GNP用量或单一性能指标），缺乏同时优化力学、耐久性和微观结构的统计框架。为此，本研究采用田口法（Taguchi method）和响应面法（Response surface method, RSM）系统考察GNP用量与超声分散时间对水泥基复合材料性能的耦合影响，旨在确定最优掺入策略。论文发表在《Next Nanotechnology》。
本研究所用的关键技术方法包括：基于田口L9正交实验设计（Taguchi L9 orthogonal array），选取三种GNP用量（0.01%、0.05%、0.10%水泥质量）和三种超声分散时间（5、10、20分钟），并设置不含GNP和超声的对照组。所用材料包括普通硅酸盐水泥（OPC Type GU，符合CSA A3001）、标准硅砂（ASTM C778）、聚羧酸系高效减水剂（PCE）及商用GNPs（厚度8-15 nm，直径2 μm）。水胶比固定为0.35，砂胶比3:1，PCE用量1%。通过400 W浴式超声清洗器在30±2°C下分散GNPs。性能评价涵盖：7天和28天抗压强度（ASTM C109）、28天吸水率和可渗透孔隙率（ASTM C642）、扫描电子显微镜（SEM）观察。统计分析包括信噪比（S/N）分析、方差分析（ANOVA）和响应面建模（RSM）。所有制备与测试均在University of Windsor土木与环境工程系实验室完成。
研究结果如下：
**3.1 抗压强度**：通过抗压强度测试发现，含0.01% GNP和20分钟超声的混合料（Mix 3）获得最高7天强度63.9 MPa和28天强度76.8 MPa，较对照组（67.4 MPa）提高14%。而0.10% GNP组强度显著下降（如Mix 9的28天强度仅64.7 MPa），表明高用量因团聚产生缺陷和弱界面。0.05% GNP组强度介于中间，且超声时间影响显著：5分钟超声时7天强度达59.6 MPa，但20分钟时反而降低。
**3.2 吸水率**：通过ASTM C642测试发现，最佳组合Mix 3的28天吸水率最低（7.47%），较对照组（8.35%）降低11%。有趣的是，0.10% GNP组也表现出较低的吸水率（如Mix 8为7.9%），说明GNPs可阻塞毛细孔，但强度与吸水率趋势并不完全一致，高用量混合料吸水率下降但强度未提升。
**3.3 可渗透孔隙**：可渗透孔隙率（VPV）在0.05% GNP和5分钟超声时达到28天最低（约9.5%），而对照组为10.8%。0.01% GNP+20分钟组的VPV为10.2%，并非最低。这表明强度优化与孔隙细化不完全同步：低剂量GNP主要增强基体密实度，而中等剂量在合适分散下更有效阻塞连通孔。
**3.4 微观结构分析**：SEM观察显示，对照混合料（Mix 0）具有典型OPC水化产物，存在较多孔隙和未完全水化颗粒。低剂量（0.01%）且充分超声（20分钟）的混合料（Mix 3）显示出致密的C-S-H凝胶和减少的毛细孔。0.05% GNP组（尤其超声20分钟的Mix 6）可见局部片状团聚和微裂纹。0.10% GNP组（Mix 9）出现大量球形团聚物和连接不良的基体，证实了高用量导致的缺陷。
**3.5 统计与趋势分析**：通过ANOVA分析，GNP用量是影响28天抗压强度、吸水率和VPV的主导因素，贡献率分别为66.8%、47.6%和52.8%；超声时间贡献率分别为17.1%、32.2%和27.8%；两者交互作用贡献率均约15%。主效应图显示，抗压强度在0.01% GNP和20分钟超声处达到峰值；吸水率和VPV则在该组合处达到最低。交互作用图表明超声时间对低剂量（0.01%）效果显著，但对高剂量效果有限甚至反向。响应面和等高线图确认最优参数窗口集中在0.01% GNP和18-20分钟超声附近。
在讨论部分，研究人员指出实际应用需综合考虑成本、加工可行性和大规模拌合挑战。低GNP用量有利于经济性，但分散所需超声能量和附加外加剂成本需纳入全生命周期分析。超声方法在实验室可行，但大规模生产需探索高剪切搅拌或预分散GNP外加剂等替代方案。工作性方面，高GNP用量可能增加需水量和团聚风险，需调整超塑化剂用量。因此，本研究成果应视为优化的实验室框架，未来需在更大体积、真实搅拌设备和新鲜性能测试下验证。
研究结论如下：1. 在所研究的混合料中，最佳性能出现在0.01% GNP（按水泥质量计）和20分钟超声处理条件下。该混合料获得了最高的28天抗压强度76.8 MPa，而对照组为67.4 MPa，表明低GNP用量结合充分的分散能量可提高水泥基基体的承载能力。2. 将GNP用量增加到最佳值以上并没有带来进一步的强度提升。含有0.05%和0.10% GNP的混合料通常表现出比优化混合料更低的抗压强度，表明较高的用量增加了GNP团聚、弱界面区和微观结构不均匀性的可能性。3. 耐久性相关结果表明，GNP的掺入通过改变孔隙连通性和基体致密化影响了吸水率和可渗透孔隙。优化的低用量混合料产生的吸水率低于对照组，而一些较高用量的混合料尽管强度降低，却表现出部分耐久性改善，表明孔隙阻塞和力学承载连续性是相关但不同的机制。4. 田口法和统计分析证实，GNP用量是影响28天抗压强度、吸水率和可渗透孔隙率的主导因素，其次是超声处理时间及其交互作用。综合结果表明，GNP改性水泥基复合材料的性能受纳米材料用量与分散能量之间的平衡控制，而非单独增加GNP含量。
