Constr. Build. Mater. ：氧化石墨烯、功能化碳纳米管和纳米二氧化硅三元杂化增强硅酸盐水泥浆体的协同强化机理

文献速读

题目

Synergistic strengthening mechanism of Portland cement paste reinforced by a triple hybrid of graphene oxide, functionalized carbon nanotube, and nano-silica

氧化石墨烯、功能化碳纳米管和纳米二氧化硅三元杂化增强硅酸盐水泥浆体的协同强化机理

关键词

氧化石墨烯；功能化碳纳米管；纳米二氧化硅；协同作用；分散；水化

来源

• 出版年份：2022年
• 来源：Construction and Building Materials
• 第一作者：韩国汉阳大学Sungchul Bae课题组

研究背景

混凝土是当前世界上应用最广泛的建筑材料，其以硅酸盐水泥（PC）为主要胶凝材料。由于混凝土的质量取决于水泥浆体和骨料，提高水泥的物理化学性质至关重要。然而，水泥浆体具有较差的抗拉强度和延展性。虽已通过钢筋（如钢筋和钢纤维）克服上述缺点，但无法阻止微纳米裂缝形成。纳米材料可在纳米尺度上控制水泥结构，即在纳米级裂缝发展成更大裂缝之前对其进行调整，故受到研究者广泛关注。

用于增强水泥浆体的纳米材料主要包括氧化石墨烯（GO）、碳纳米管（CNT）和纳米二氧化硅（NS）。其中，GO可作为水化产物的成核位点，利用其官能团加速水泥熟料早期水化；高延展性CNT可桥接水泥浆体的孔隙和裂缝以增加其抗拉强度，但CNT与水泥水化产物的界面结合较弱，故采用功能化碳纳米管（f-CNT）克服该问题；NS具有高火山灰活性，可促进水泥二次水化，导致水泥基体更加致密，并提高水泥基材料耐久性。

现有研究已探讨了GO/CNT、GO/NS、CNT/NS等杂化材料对水泥浆体水化过程和力学性能影响。其中，GO可改善f-CNT和NS的分散性，而CNT/NS杂化材料却无明显的协同效应。这表明GO是纳米杂化材料在水泥基材料中发挥协同效应的关键。在水泥浆体、砂浆和混凝土中掺入纳米杂化材料均显其协同效应。与单一纳米材料相比，纳米杂化材料的分散性和力学强度增强，且保留了每种纳米材料的优点。因此，三重杂化可能兼具GO的成核作用、CNT的桥联作用和NS的火山灰活性，以及它们的协同效应。

研究出发点

尽管研究者已对杂化纳米材料对水泥浆体的协同增强作用进行大量研究，但尚未研究GO、f-CNT和NS三元杂化纳米材料对水泥浆体的协同增强作用。

研究内容

本文研究了GO、f-CNT和NS三元杂化纳米增强材料对水泥基复合材料分散性、水化进程和力学性能的协同影响，并研究各纳米材料间的相关性以探究其增强机理。此外，还探究了三种纳米材料与水泥水化产物间相互作用。具体为：采用紫外-可见（UV-vis）光谱、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）研究了三元杂化纳米增强材料的分散性。通过粉末X射线衍射（XRD）和²⁹Si核磁共振（²⁹Si NMR）谱观察了纳米增强水泥浆体的水化过程。此外，还测量了纳米增强水泥浆体的抗压和劈裂抗拉强度，以评估其力学性能。

主要结论

本文探究了氧化石墨烯（GO）、功能化碳纳米管（f-CNT）和纳米二氧化硅（NS）三元杂化纳米材料对硅酸盐水泥（PC）复合材料分散性、水化程度和力学性能影响，考察了该三元杂化纳米材料对水泥基复合材料的协同增强机理。主要结论如下：

（1）GO掺量达0.03 wt%时，水泥浆体力学性能下降；GO掺量最高（0.05 wt%）时，水泥浆体强度显著下降；然而，GO掺量为0.04 wt%时，水泥浆体力学性能显著增强。

（2）随着GO掺量（最高可达0.03 wt%）增加，三元杂化纳米材料的分散性逐渐下降，归因于过多附着NS的GO片层增多，高长径比GO为NS提供了团聚位点。纳米材料的团聚导致其火山灰活性及其与水泥水化产物相互作用劣化，从而导致水泥浆体抗压和劈裂抗拉强度降低。

（3）三元杂化纳米材料的最佳配比为0.04 wt% GO（添加0.01 wt% f-CNT和1.0 wt% NS）。由于适量的NS在GO表面的物理分离以及GO、f-CNT中剩余羧基和羟基的静电排斥作用，该配合比下的三元杂化纳米材料在富Ca^{2 +}溶液中具有最佳的分散性能。分散性良好的纳米材料通过GO的成核作用、f-CNTs的桥接作用和NS的火山灰效应有效地增强了水泥浆体。此外，GO的多余空间为水泥水化产物提供了成核位点，允许水泥水化产物和火山灰反应产物相互作用，从而导致最高的力学强度。

（4）最高GO掺量（0.05 wt%）水泥浆体的抗压和劈裂抗拉强度明显下降。这可归因于Ca²⁺引起了GO团聚。因此，过量的GO恶化了水泥浆体的和易性，增加了水泥浆体的孔隙率。

（5）纳米材料在三元杂化材料中的分散性影响水泥的水化过程和NS的火山灰活性，直接影响水泥浆体力学性能。纳米材料在Ca(OH)₂环境中的分散性与纳米增强水泥浆体力学性能之间的线性相关性有力地支持了该结论。

（6）具有最佳比例的三元杂化纳米材料结合了各纳米材料的所有优点，且具有额外的协同效应。由于各纳米材料之间相互作用，GO质量分数为0.04 wt%的三元杂化纳米材料表现出最佳的分散性，从而凭借其成核效应和火山灰活性产生有效的桥接作用和更致密的基体。