关键词：
纳米碳材料
表面化学特性
水泥
微结构
力学性能
电学性能
摘要：
水泥混凝土材料广泛应用于房屋建筑、道路、桥梁、大坝等基础设施领域,近年来,随着国家的高速发展以及交通强国的推进,对水泥基材料的性能需求也日益提高,向高强度、高耐久性以及智能化方向进一步迈进。而纳米碳材料因其独特的尺寸及形貌特征以及优异的力学、电学性能,被誉为未来的材料之王。目前,常用于改性水泥基体性能的纳米碳材料包括碳纳米管、石墨烯及其衍生物、碳纳米纤维等,尽管以上纳米碳材料在名称及形貌上存在差异,但其本质上都是碳的同素异形体。因而,针对纳米碳/水泥基复合材料的研究,也可以理解为在探索不同表面化学特性及形貌的纳米碳材料对水泥基体性能的影响。纳米碳材料的掺加不仅表现出对水泥基体局部微结构的潜在调控机制,改善水泥基材料的力学性能,同时还可赋予水泥基材料以导电性、感知性等功能特性,这为未来智能建筑、智能交通的发展提供了可行性和可观前景。
尽管已有大量有关纳米碳/水泥基复合材料性能的研究,但目前仍存在如下问题有待进一步明确。首先,纳米碳材料是否对水化相的微结构起到调控作用。纳米碳/水泥基复合材料归根结底可视为二元材料体系,基体最终的宏观性能表现均与二元材料的界面微结构息息相关。因此,明确溶解-析出阶段纳米碳材料对水化相的析出及生长过程的影响极为重要。其次,纳米碳材料的尺寸优势及表面效应是否得到充分利用,纳米碳材料自身的表面化学组成及形貌特征对水泥水化过程、孔隙结构、力学性能的发展起到怎样的作用。此外,纳米碳/水泥基复合材料在混凝土基体中的智能应用及其在不同服役状态下的有效性有待研究。传统的水泥基材料是电的不良导体,而纳米碳材料赋予了水泥基体以导电性、压阻性等功能特性,这为未来智能基础设施的建设带来了革新意义。考虑到经济成本及未来实际应用,在水泥基体中以低纳米碳材料掺量实现良好的导电性仍是首要研究问题,并且水泥基材料性能易受环境中离子及温度的影响,服役状态对纳米碳/水泥基复合材料导电性的影响仍需进一步明晰。
基于以上提出的问题,在本研究中,针对纳米碳/水泥基复合材料微结构演化这一问题,采用碳纳米管构成的宏观泡沫体结构为基体,利用其纳米级孔隙的结构特点,原位分离水化体系中的孔溶液与固相水化颗粒;同时,将其视作试验平台,通过对其进行氧化处理或者聚羧酸减水剂表面改性,研究纳米碳材料的表面特性以及体系中外加剂对水化相的析出及生长的影响。试验结果表明,水化产物的成核析出及生长与纳米碳材料的表面化学特性极为相关,原始的纳米碳材料表面对水化相的亲和力低,难以促进水化产物生长;氧化处理后的纳米碳材料表面有利于液相中离子的运输,同时促进以氢氧化钙为主的水化产物生成,调控了水化产物的分布位置;而聚羧酸减水剂会在纳米碳材料表面形成膜,一方面捕获孔溶液中的钙离子,延缓水化产物的析出,另一方面起到模板作用,改变水化产物的形貌。
在纳米碳/水泥基复合材料力学性能的研究中,考虑了纳米碳材料表面化学组成、养护方式、分散工艺等因素,旨在充分发挥纳米碳材料在水泥基体中的尺寸优势及表面效应。结果表明,氧化石墨烯纳米带由于具备与氧化石墨烯相当的氧化程度且兼具准一维纳米材料的形貌,可同时改善水泥基体的抗压、抗折强度;而养护温度的提升有利于活化氧化石墨烯表面官能团,从而加速水化反应,促进水化产物的生成并提高其聚合度,致密水泥基体孔隙结构。在液相中还原制备石墨烯并以聚羧酸减水剂辅助分散时,石墨烯的分散性得到了有效改善,制备的石墨烯/水泥基复合材料的力学性能显著高于现有文献结果;石墨烯掺量低时,在水泥基体内部以单层或少层形式存在,其柔性较高,会吸附于水化产物表面阻隔水化产物的交织生长;而石墨烯掺量较高时,在水泥基体内部以团聚体的形式存在,起到填充作用。
在纳米碳/水泥基复合材料导电性能的研究中,考虑了纳米碳材料的形貌及分散方式对水泥基体导电性的影响;并将纳米碳/水泥基复合材料视为水泥基感知元件,用于监测混凝土基体的服役状态。结果表明,在无水乙醇环境中,碳纳米管可以有效地预分散于未水化的水泥颗粒表面,碳纳米管在水泥净浆中的渗流阈值为0.05wt%,此时基体电阻率发生数量级变化。同时,碳纳米管/水泥净浆具备作为自监测水泥基感知元件的应用前景,在自然干燥及盐离子侵蚀环境下均表现出稳定的压缩荷载-导电性能,并对基体内部导电网络变化进行了定量描述。
本研究提出的研究方法及结论有利于进一步从微观尺度明确纳米碳材料对水泥基体微结构的调控作用,明确纳米碳材料表面化学特性、形貌特征、分散状况对水泥基材料力学性能的影响,为纳米碳/水泥基复合材料的制备及性能优化提出指导,也为压阻式水泥基复合材料在智能基础设施中的应用奠定前期研究基础。
