Cement Concrete Compos. ：三维多孔石墨烯水泥基复合材料力学性能多尺度实验研究

题目

Multi-scale experimental studies on mechanical properties of three-dimensional porous graphene cementitious composite

三维多孔石墨烯水泥基复合材料力学性能多尺度实验研究

关键词

三维多孔石墨烯；纳米压痕；水泥基复合材料；界面过渡区；多尺度分析

来源

DOI：https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2023.105412

出版年份：2024年

来源：Cement and Concrete Composites

课题组：广西大学土木建筑工程学院应敬伟课题组

研究背景

近年来，纳米材料掺入水泥基材料中以减少建筑行业碳排放，实现降低水泥用量的同时提高水泥基复合材料性能。纳米材料提高水泥基复合材料性能途径主要有两种：一种是通过物理填充基体孔隙和发挥化学活性作用改善水泥基材料性能（如纳米SiO₂、纳米CaCO₃等）；另一种是通过提供成核位点促进水泥水化（如AlO₃等）。石墨烯是现阶段物理性能最好的纳米材料，共价键连接的碳原子组成其二维蜂窝状薄膜，有效提升水泥基材料力学性能。然而，石墨烯分散性较差。相比之下，氧化石墨烯在水中分散性能较好且能促进水泥水化，被广泛应用于水泥基材料。石墨烯和氧化石墨烯制备工艺复杂，成本较高。而三维多孔石墨烯成本较低，具有独特的自支撑三维结构和高孔隙率，比表面积是传统石墨烯2倍。三维多孔石墨烯既能保留二维石墨烯优点，又能在一定程度上防止石墨烯团聚。

研究出发点

现有研究缺乏对三维多孔石墨烯水泥基材料性能的全面研究，尤其是具有独特三维网络结构的三维多孔石墨烯对水泥基复合材料力学性能的影响及机理。

研究内容

本文对三维多孔石墨烯水泥基复合材料进行了多尺度试验研究。具体为：评估三维多孔石墨烯改性水泥砂浆宏观力学性能（包括弹性模量、抗压和抗弯强度、耐久性、能量耗散和开裂模式）；采用纳米压痕和统计，在微观尺度上测量界面过渡区（ITZ）和水泥基体微观力学性能；通过X射线衍射（XRD）和等温量热法揭示三维多孔石墨烯水泥基复合材料水化机理；表征三维多孔石墨烯水泥基复合材料微观结构，解释三维多孔石墨烯对水泥基材料的增强机理。

主要结论

为探索三维多孔石墨烯在水泥基复合材料中的作用，本文从宏观到微观层面研究了三维多孔石墨烯水泥基复合材料力学性能，揭示了三维多孔石墨烯对界面过渡区（ITZ）和水泥基体的影响。主要结论如下：

（1）三维多孔石墨烯可显著提高水泥净浆和砂浆的强度和弹性模量，抑制裂缝产生和发展。当三维多孔石墨烯掺量为0.1%时，水泥基复合材料抗压强度和抗弯强度分别提高68.2%和75.3%。

（2）三维多孔石墨烯显著增强了水泥基材料ITZ的粘结性能、孔隙结构和弹性模量。随着三维多孔石墨烯含量从0.00%增至0.05%，ITZ的平均厚度从60 μm降至30 μm，ITZ与水泥基体的弹性模量比从59%增至76%。当三维多孔石墨烯掺量在0.1%或以上时，ITZ与水泥基体弹性模量的差异可忽略不计。这表明ITZ与水泥基体性能极为接近。

（3）三维多孔石墨烯有助于提高高密度水化硅酸钙（HD C-S-H）含量，降低低密度水化硅酸钙（LD C-S-H）含量。当三维多孔石墨烯掺量为0.1%时，松散C-S-H（LP C-S-H）体积分数降低55%，HD C-S-H和氢氧化钙（CH）体积分数分别提高93%和125%。

（4）三维多孔石墨烯水泥基材料中各相的平均弹性模量与压痕硬度呈正相关，遵循“指数”函数关系。压痕硬度增长率高于弹性模量增长率。