Constr. Build Mater. ：新型氧化石墨烯/贝利特水泥复合材料的合成及其对普通硅酸盐水泥砂浆抗折强度和界面过渡区

题目

Synthesis of a novel graphene oxide/belite cement composite and its effects on flexural strength and interfacial transition zone of ordinary portland cement mortars

新型氧化石墨烯/贝利特水泥复合材料的合成及其对普通硅酸盐水泥砂浆抗折强度和界面过渡区影响

关键词

氧化石墨烯（GO）；贝利特水泥；复合材料；抗折强度；界面过渡区（ITZ）；成核

来源

出版年份：2023年

来源：Construction and Building Materials

第一作者：深圳大学土木与交通工程学院孙红芳

通讯作者：美国科罗拉多大学任杰

研究背景

普通硅酸盐水泥（OPC）基胶凝材料是全球使用最广泛的材料之一，由于其卓越性能广泛应用于世界各大建筑工程。然而，OPC由于其较高的脆性容易形成裂缝，从而限制了其进一步应用。具体而言，裂缝不仅削弱了OPC基混凝土结构的力学性能，还损害了混凝土结构的耐久性，导致其使用寿命减少和极高的维修/更换成本。理论上，纳米裂缝首先在局部形成并逐渐扩张，最终导致宏观裂缝的形成。因此，阻止纳米裂缝形成至关重要。目前，由于其小尺寸和优异的物理力学性能，纳米材料被广泛应用于防止纳米裂缝的产生和扩展。其中，氧化石墨烯（GO）是一种备受关注的纳米增强材料，其高比表面积（700~1500 m²/g）、高弹性模量（23~42 GPa）和抗拉强度（130 GPa）引起了广泛关注。由于GO具有亲水性，在水溶液中具有良好的分散能力，并且GO和部分水泥水化产物之间存在界面化学键合。此外，GO可为OPC早期水化提供成核位点、作为填料填充孔隙、发挥桥接效应。然而，GO提供成核位点的潜力远未得到充分利用。这可能是因为OPC孔隙液中GO含氧官能团的聚集敏感性和pH依赖/稳定性。因此，合理推测GO（纳米尺度）和OPC颗粒（微米尺度）之间存在尺度不匹配。基于这一点，GO应该受到“保护”，并通过引入与其尺寸类似（或稍大）但小于OPC的颗粒以利用更多的成核位点。引入这些中间体后，可能形成新的微观结构并作为成核位点，实现从纳米级GO（80~680 nm）向微米级OPC（7~200 μm）过渡，进一步促进OPC的水化。

贝利特是C₂S β-多晶体的不纯形式，是OPC熟料的关键组成部分之一。相较于富含阿利特的OPC熟料，贝利特或富含贝利特的水泥需要更低的煅烧温度和更少的石灰石，从而显著降低CO₂排放和能源消耗。此外，贝利特水化会生成更多C-S-H而非氢氧化钙，导致水化焓值更低且形成的微裂缝更少。这意味着贝利特具有更高的耐久性和长期强度。然而，贝利特早期水化动力学较慢，导致其早期力学性能较低，从而阻碍了其在工程领域的广泛应用。研究人员已通过添加纳米氧化铝或人工调控贝利特尺寸以提高其水化反应活性。已有结果表明，尺寸为数百nm的贝利特及其可能的水化产物可以作为纳米材料（如GO）和OPC颗粒的桥梁，充分发挥纳米材料在OPC中的增强能力。因此，将贝利特与GO复合可以有效改善OPC的性能。

研究出发点

目前尚无GO/贝利特水泥复合材料对OPC性能影响的相关研究。

研究内容

本文成功合成并表征了一种新型GO/贝利特水泥复合材料（GO/BC），并将其作为外加剂应用于改善普通硅酸盐水泥（OPC）砂浆的微观结构和力学性能。此外，通过测量GO/BC改性砂浆在不同养护龄期后的抗折强度，并测定其界面过渡区厚度和试样内部的孔隙率，以评估其在实际应用中的性能表现。

主要结论

本文合成了一种新型氧化石墨烯/贝利特（GO/BC）复合材料，并研究其在不同水化龄期下对普通硅酸盐水泥（OPC）砂浆抗折强度和界面过渡区（ITZ）影响。主要结论如下：

（1）不同水化时间下的GO/BC表现出不同形貌。水化14 d和21 d后，GO/BC尺寸为几μm（小于OPC但大于GO），比表面积为50 m²/g左右。此外，还可观察到GO/BC具有精细的微观结构（10~20 nm的孔体积较大）以及花状反应产物（包括一些”花瓣”）。这些特征使得GO/BC成为促进OPC水化的优良晶种。

（2）贝利特水泥中氢氧化钙与GO中的羧基可以相互反应生成Ca(HCOO)₂，可用于量化GO与贝利特水泥之间相互作用程度。

（3）与单独的GO或贝利特水泥相比，水化14或28 d的GO/BC复合材料在提高OPC砂浆强度方面表现出协同作用，在整个养护过程中，尤其是在28和56 d后，抗折强度明显增加。

（4）与单独的GO或贝利特水泥相比，掺入GO/BC后OPC砂浆的ITZ厚度及其孔隙率降低幅度更大，因而GO/BC改性有助于提高OPC砂浆的抗折强度。

（5）相较于GO/BC，GO在提高OPC砂浆早期（7 d内）的抗折强度更为有效；而贝利特水泥在更长的养护龄期（90 d）后提升效果更为显著。