​Constr. Build. Mater. ：基于纳米压痕测试和能量法的三维多孔石墨烯水泥基材料微观断裂和蠕变分析

文献速读

Constr. Build. Mater. ：基于纳米压痕测试和能量法的三维多孔石墨烯水泥基材料微观断裂和蠕变分析

题目

Microscale fracture and creep analysis of 3D porous graphene-based cementitious material by nanoindentation test and energy-based method

基于纳米压痕测试和能量法的三维多孔石墨烯水泥基材料微观断裂和蠕变分析

关键词

断裂行为；蠕变行为；水泥基材料；三维多孔石墨烯；纳米压痕

来源

出版年份：2023年

来源：Construction and Building Materials

课题组：广西大学土木建筑工程学院应敬伟课题组和美国威斯康星大学Baixi Chen课题组

研究背景

向水泥基材料中掺入宏观尺度材料（粉煤灰、硅灰，矿渣、纤维和化学外加剂等）和纳米材料（纳米Al₂O₃、纳米TiO₂、纳米CaCO₃、纳米SiO₂、碳纳米管、石墨烯等）可大大提高其性能并减少其用量。其中，石墨烯因其出色的物理和化学性能及其大规模制备潜力引起广泛关注。许多研究者致力于研究石墨烯水泥基材料。研究表明，氧化石墨烯（GO）以及石墨烯纳米片（GNPs）均可有效促进水泥水化。此外，石墨烯还可增强水泥基材料的抗弯强度、抗拉强度和抗氯离子侵蚀能力。相较于一维和二维结构石墨烯相比，三维石墨烯因其具有更高的比表面积，有望进一步提升水泥基材料性能。为理解这类性能提升背后的机理，研究人员进一步探索了含三维多孔石墨烯的水泥基材料在微观尺度下的断裂和蠕变行为。

近年来，纳米压痕技术已广泛用于揭示材料的微观力学性能。纳米压痕技术利用已知弹性模量和泊松比的压头来测量被测材料的力学响应。除弹性性能外，纳米压痕测试还可获得水泥基材料的断裂性能和蠕变性能。然而，现有研究大多需测量裂缝尺寸以了解材料的断裂行为。对水泥基材料而言，测量裂缝尺寸极其困难。为在不使用裂缝尺寸的情况下评估水泥基材料断裂性能，研究者提出了一种基于纳米压痕下力学响应的能量方法。

研究出发点

当前研究均集中于一维和二维石墨烯，较少涉及三维多孔石墨烯对水泥基材料微观断裂和蠕变行为影响。

研究内容

本文利用纳米压痕技术研究了三维多孔石墨烯增强砂浆和水泥浆体的微观力学性能；借助基于能量方法，在微纳米尺度上揭示了三维多孔石墨烯基砂浆和水泥浆体的微观断裂和蠕变行为；此外还讨论了三维多孔石墨烯增强水泥基材料微观断裂和蠕变行为机理。

主要结论

本文引入一种基于能量的方法，通过纳米压痕测试揭示了三维多孔石墨烯基砂浆和水泥浆体的微观断裂和蠕变行为。主要结论如下：

（1）三维多孔石墨烯可有效提高水泥浆体和砂浆硬度，特别是掺量超过0.05%时。

（2）砂浆和水泥浆体的微尺度断裂韧性和能量释放速率均随三维多孔石墨烯含量增加先升高后降低，在掺量为0.05%时达到峰值。

（3）三维多孔石墨烯基水泥基材料的断裂性能与微观尺度下的弹性性能呈正相关。

（4）砂浆和水泥浆的蠕变柔量均随时间呈对数增长。掺入三维多孔石墨烯可减缓蠕变柔量增长。相较于对照组，三维多孔石墨烯含量为0.02%、0.05%、0.1%和0.2%的砂浆蠕变模量分别提高了45%、53%、48%和133%。同时，水泥浆体的蠕变模量相较于对照组分别提高了15%、15%、56%和37%。

（5）相较于松散C-S-H（LP C-S-H）和低密度C-S-H（LD C-S-H），高密度C-S-H（HD C-S-H）具有更高的抗蠕变性，掺入三维多孔石墨烯有利于形成HD C-S-H。