Cement Concrete Res. ：碳纳米管和石墨纳米片对UHPC中C-S-H组成、结构和纳米力学性能影响

题目

Effect of carbon nanotube and graphite nanoplatelet on composition, structure, and nano-mechanical properties of C-S-H in UHPC

碳纳米管和石墨纳米片对UHPC中C-S-H组成、结构和纳米力学性能影响

关键词

碳纳米管；C-S-H；石墨纳米片；纳米力学性能；UHPC

来源

出版年份：2022年

来源：Cement and Concrete Research

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2022.106713

课题组：哈尔滨工业大学土木工程学院高小建课题组、美国密苏里科技大学Kamal H. Khayat课题组

研究背景

超高性能混凝土（UHPC）由高含量胶凝材料、细砂、钢纤维和高效减水剂以极低水灰比（w/b）制备而成。近年来，碳纳米材料（碳纳米管（CNT）和石墨烯纳米片（GNP））由于具有出色力学和导电性能，在水泥基材料中应用引起广泛关注。已有研究表明零维纳米材料（如纳米SiO₂和纳米CaCO₃）可有效提高UHPC力学性能。然而，零维纳米材料所需掺量较大，分散性难以保证，易削弱改性效果甚至降低混凝土力学性能。CNT和GNP分别为一维和二维纳米材料，长径比较高，具有成核效应及纳米级裂缝桥接能力。相较于零维纳米材料，CNT和GNP可在低掺量下更好改性UHPC。

C-S-H的Ca/Si、Al/Si和链长常用于评价其组成和结构演变。CNT和GNP因其成核效应影响水泥水化，从而改变C-S-H的Ca/Si和链长。C-S-H纳米力学性能显著影响UHPC抗压、抗折和拉伸性能。根据弹性模量不同，C-S-H分为低密度（LD）、高密度（HD）和超高密度（UHD）C-S-H相。其中，C-S-H弹性模量越高，其对UHPC力学性能贡献越大。

研究出发点

尽管已有研究表明CNT和GNP能改善UHPC力学性能，但仍有以下问题有待解决：1）CNT和GNP对UHPC微观结构，特别是低w/b下C-S-H组成和结构影响尚不清晰；2）CNT和GNP对C-S-H弹性模量和不同密度C-S-H占比影响仍未研究；3）当使用Al含量较高的辅助胶凝材料（SCMs）时，CNT和GNP对Al-Si取代程度影响有待研究。

研究内容

本文研究了CNT和GNP（掺量从0%到0.3%）对UHPC水化、孔隙结构及C-S-H组成、结构和纳米力学特性影响。具体为：通过等温量热法、压汞孔隙法（MIP）、纳米压痕、核磁共振波谱法（NMR）、扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）等方法，研究了UHPC水化动力学、孔隙结构和力学性能。

主要结论

本文研究了碳纳米管（CNT）和石墨纳米片（GNP）对超高性能混凝土（UHPC）水化动力学、力学、孔隙结构及C-S-H组成、结构和纳米力学性能影响。主要结论如下：

（1）由于纳米材料填充作用，掺加0-0.1% CNT或GNP会降低UHPC塑性粘度。当掺量增至0.3%时，UHPC塑性粘度增加5 Pa·s。

（2）由于纳米材料成核效应，掺加0.3% CNT或GNP可使峰值热流和累积放热量分别提高15%和35%-45%。

（3）相较于无纳米材料砂浆，使用0.3% CNT或GNP可使非纤维UHPC和纤维UHPC（2%钢纤维）抗压强度提高约20 MPa。这归因于孔隙结构细化（总孔隙率从5%降至2.5%）。

（4）掺加0.3% CNT或GNP时，纳米压痕测得C-S-H平均弹性模量从28 GPa增至34 GPa；高密度（HD）和超高密度（UHD）C-S-H含量分别增至65%和90%。

（5）Qⁿ用于评价C-S-H链SiO₄四面体单元连通性。掺加CNT和GNP后，Q⁰和Q¹转变为Q²和Q³，导致C-S-H平均链长（MCL）更长。掺加0.3%CNT和GNP后，MCL分别增加140%和110%。

（6）CNT和GNP掺量从0%增至0.3%，C-S-H的Ca/Si从2.25降至1.75，AI/Si从0.1提高至0.15。

（7）相较于GNP，CNT可为C-S-H形成提供更多成核位点。因此，相同掺量下，CNT改性样品中C-S-H具有更长MCL、更低孔隙率、更大高密度和超高密度C-S-H占比、更高水化程度和力学性能。