氧化石墨烯/水泥复合净浆的化学收缩特性及预测模型

为了揭示氧化石墨烯/水泥复合净浆(GO/C)的化学收缩特性,采用体积法对不同水灰比(0.3、0.4、0.5)和不同氧化石墨烯(GO)质量分数(0wt%、0.01wt%、0.02wt%、0.03wt%、0.04wt%、0.05wt%)的水泥复合净浆试件化学收缩进行了测定。试验结果显示:随着水灰比的增加,GO/C化学收缩显著增大。同水灰比条件下掺有氧化石墨烯的GO/C试件前期化学收缩较普通水泥净浆有所下降,当GO质量分数为0.04wt%时,收缩值达到最小;在后期水化中,GO/C试件的化学收缩增长速度明显快于普通水泥净浆。分析表明,GO对水泥净浆孔结构的调控作用和对水化产物氢氧化钙晶体的键合行为是其影响水泥净浆化学收缩性能的主要原因。同时,通过收缩模型与试验值对比发现,现有的普通水泥化学收缩模型无法精准预测GO/C的化学收缩情况,因此,为考虑GO的影响,试验在吴浪模型的基础上,引入K(ξ,t)函数作为影响参数,并通过曲线拟合得到其具体表达式,从而建立起适用于GO/C化学收缩的预测模型。     

粉煤灰、石灰石粉复掺对水泥净浆工作性能的影响

通过检测水泥净浆流动度和Marsh时间,研究了不同掺量粉煤灰与石灰石粉对水泥浆体的工作性能的影响。结果表明,粉煤灰单掺掺量为20%的水泥浆体工作性能最优,单掺石灰石粉的水泥浆体随着掺量增加流动度呈线性增长;复掺掺量分别为20%、30%,粉煤灰和石灰石粉等量时,水泥浆体工作性能最好;通过对水泥、粉煤灰和石灰石粉的粒径分析,从微观角度分析了不同级配的水泥浆体的工作性能。     

氧化石墨烯增强水泥基复合材料的力学性能及微观结构

本文采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）悬浮液,通过FTIR、XRD和AFM等测试技术对GO晶体结构和尺寸形态进行了表征,考察了GO掺量和水灰比的变化对GO增强水泥基复合材料力学性能和微观结构的影响。结果表明：GO增强水泥基复合材料抗折抗压强度随GO掺量增加而先提高后降低,且对于抗折强度增强效果远超过抗压强度,当GO掺量为0.03%时,抗折强度达到最大值13.72 MPa;高水灰比条件下掺入GO对水泥胶砂强度的提高更显著;通过SEM对GO增强水泥基复合材料微观结构进行表征,发现GO能够优化水泥水化产物的微观结构形态,细化晶体尺寸,形成更加致密均匀的网络结构,从而改善水泥基复合材料的宏观性能。     

氧化石墨烯对水泥水化晶体形貌的调控作用及对力学性能的影响

用Hummers法制备了氧化石墨烯(GO)并用超声波将其分散制备了纳米片层分散液,用XRD和AFM表征了分散的效果。研究了不同含氧量GO对水泥水化晶体微观形貌及胶砂耐折强度和抗压强度的影响,结果表明含氧量为18.65%和25.53%的GO可使水泥水化产物成为花朵状微晶体,而且形状统一、分布均匀,具有显著的增韧增强效果。研究结果也说明了GO能够调控水泥水化晶体产物的形状和尺寸,GO对于水泥水化反应产物具有促进作用和模板效应。研究结果对于提高混凝土建筑的抗裂缝和耐久性具有积极的意义。     

氧化石墨烯调控水泥基材料形成大规模规整结构及其性能表征

将制备的GO与减水剂和拌合水超声处理后用于制备水泥基复合材料,研究结果表明,GO纳米片层在水泥基体中达到了均匀分散,水泥水化产物成为了规整形状的多面体状水化晶体,通过其交织交联形成了大规模规整致密的微观结构。当GO掺量为0.03%时,尺寸为30~190nm GO的水泥基复合材料28d时的抗压强度和抗折强度比对照样品分别提高了78.8%和112.7%,尺寸为110~410nm GO的水泥基复合材料的抗压强度和抗折强度分别提高了72.3%和93.9%,水泥基复合材料的耐久性显著提高。同时提出了水泥基复合材料微观结构形成机理。     

氧化石墨烯及其分散方法对水泥基材料微观结构和力学性能的影响研究进展

氧化石墨烯(GO)因其出色的性能在改善水泥基材料微观结构、力学性能上均有很好的应用前景。然而,GO的增强效果很大程度上取决于其在水泥基体中的分散性。总结了近年来GO在水泥基材料中的研究成果,重点综述了GO的分散方式、分散机理以及相应的力学性能改善机理;对比了不同GO分散方式的优缺点,分析了GO分散前后对水泥基材料微观结构和力学性能的影响;提出了目前研究存在的问题,并对未来研究趋势进行展望;旨在为后续GO在水泥基材料中的稳定应用提供参考,以促进制备高效功能化的GO水泥基复合增强材料。     

氧化石墨烯水泥基复合材料的性能及研究进展

水泥基材料在建筑领域应用广泛,但其存在抗弯强度低、抗裂性和韧性差等缺点,因此改善水泥基材料性能一直是建筑材料领域研究的热点之一.氧化石墨烯(GO)是在石墨烯基面和边缘修饰了含氧官能团的一种二维衍生石墨烯材料,具有蜂窝状的结构形貌,亲水性、分散性和反应活性好.将GO加入水泥基材料中,可促进花状形貌晶体的形成,并加速水化进程的成核速度,使其形成致密的交联结构,进而细化水泥浆体的空隙,有效降低孔隙率,从而增强水泥基材料的力学性能,但流动性等有所降低.因此研究人员主要从微观作用机理、静态力学性能及耐久性等方面开展了深入研究,并取得了丰硕的成果.GO自身较大比表面积的结构性质致使水泥基复合材料流变性差,利用硅灰(SF)和氧化石墨烯包覆硅灰(GOSF)等外加剂对GO进行改性,从而提高GO水泥浆体的流动性.基于微观结构作用机理,对比不同GO掺量、试件尺寸、水灰比下的抗压强度和抗弯强度的增长率,分析GO水泥基复合材料的力学性能的增强机理.GO对水泥基材料抗压、抗拉、抗弯强度增长率存在较大差异,其中抗弯强度提高幅度最大.GO对硅酸盐水泥力学性能的提高程度较磷酸镁钾水泥更为显著.对于动态力学性能,不同应变率下裂纹扩展路径存在差异,在高应变率下GO的增强效应更为显著.水泥基材料工作环境中各类离子化合物及酸碱度对其基体有消极的影响,GO对其耐久性有明显的提高作用.本文对近年来GO水泥基复合材料的研究状况进行梳理,分析其微观结构作用机理、流动性、力学性能及耐久性等,阐述了目前国内外的研究状况及存在的问题,并展望了GO水泥基复合材料未来的发展趋势.     

基于碟片法的溶蚀作用下水泥净浆微观结构演变研究

溶蚀作用下水泥基材料的微结构变化导致混凝土材料服役性能退化。为了克服传统试验因试样厚度影响而产生的脱钙不均匀现象,以NH4NO3溶液对约1mm的碟片状水泥净浆试件进行加速脱钙,通过控制质量损失来控制溶蚀程度。然后把质量损失作为衡量溶蚀程度的参数,结合压汞法(MIP)、环境扫描电子显微镜(ESEM)及能谱分析(EDS),研究不同溶蚀程度下水泥净浆的微观形貌、化学组成和孔隙结构变化规律。试验结果表明:试件钙硅比(Ca/Si)与质量损失大致呈两段线性关系。在第一阶段,水泥浆体试件Ca/Si逐渐降低,氢氧化钙(CH)分解,质量损失10%试件中CH已被严重溶蚀;水化硅酸钙(C-S-H)凝胶的Ca/Si随着溶蚀程度增加而降低,证明C-S-H凝胶第一阶段已开始分解。在第二阶段,主要表现为C-S-H凝胶继续分解。试验还发现,溶蚀后水泥净浆试件内部孔径小于50nm的孔略微增加,50~200nm的孔含量有部分减少;孔径大于200nm的多害孔大量增加。     

氧化石墨烯增强增韧水泥基复合材料的研究

用Hummers法对石墨进行氧化后再用超声波进行分散制备纳米氧化石墨烯(GO)分散液。研究GO对掺有聚羧酸系减水剂(PCs)的水泥净浆流动度、粘度、凝结时间、石泥石孔结构和水泥砂石的耐折强度、抗压强度的影响。研究结果表明,纳米氧化石墨烯掺量为15mg/(100g水泥)时,使净浆流动度和凝结时间稍有降低,所得石泥石的中大孔隙率减少,结构致密,硬化水泥砂浆的耐折强度和抗压强度显著提高。硬化水泥石的XRD和SEM测试结果表明,纳米氧化石墨烯片层对水泥水化晶体产物的形成有模板效应,能够促使水泥石形成微小、形状统一的晶体结构,研究纳米氧化石墨烯增强增韧混凝土对于构建高性能、长寿命混凝土具有重要的意义。     

Numerical homogenization of hardened cement paste

Based upon a three-dimensional computer-tomography of hardened cement paste, a finite-element mesh at micrometer length scale is introduced. Effective material properties are obtained through numerical homogenization techniques using representative volume elements. Statistical tests, two- and three-dimensional computations and a comparison with experimental data are shown. For the hydration products of hardened cement paste a visco-plastic constitutive equation of Perzyna type including isotropic damage is introduced. The inelastic material parameters are identified solving an optimization problem through a combination of a stochastic genetic algorithm and the deterministic Levenberg-Marquardt method. The time-consuming evaluations of the corresponding objective function are distributed within a network environment automatically.     

Pore structure of hardened cement paste and mortar

The paper describes an experimental investigation into the pore structure of hardened cement paste and mortar. The pore structure was studied using mercury porosimeter. Ordinary portland cement and natural river sand were used. Pore structure determination was carried out for both the cement paste and mortar mixes over four hydration periods and five water-cement ratios. The threshold radius which was found to be prominent in the hardened cement paste, flattens out as the fine aggregate content increased.     

Improvement of mechanical properties by incorporating graphene oxide into cement mortar

ABSTRACT

As a two-dimensional nanomaterial, graphene oxide has attracted much attention for its use in reinforcing cementitious materials. However, the dispersion of graphene oxide in cementitious materials has been found unsatisfactory due to crosslinking of divalent calcium ions. In this study, we propose a modified mixing procedure to improve graphene oxide dispersion in cement mortar by utilizing silica sand to mechanically separate graphene oxide nanosheets. Apart from the improved graphene oxide dispersion, adhesion between sand and cement matrix is also believed to be enhanced due to the improved roughness of the sand surface. According to our mechanical properties study, with the introduction of 0.02% by weight graphene oxide in cement mortar, compressive strength was significantly improved by more than 25% and tensile splitting and flexural strength were improved by around 15%. In a microstructural investigation, the interfacial transition zone in cement mortar was found to be denser due to the addition of graphene oxide. Moreover, graphene oxide incorporated cement mortar also showed pore structure refinement and porosity reduction. Therefore, improvement in mechanical properties may result from an improved interfacial transition zone and a more refined pore structure with the introduction of a small quantity of well-dispersed graphene oxide nanosheets.     

氧化石墨烯纳米片层对水泥基复合材料的增韧效果及作用机制

通过氧化和超声波分散制备了氧化石墨烯（GO）纳米片层分散体系,研究了GO纳米片层对水泥基复合材料的增韧效果及作用机制。用EDS、FTIR、XRD、SEM和AFM对GO纳米片层的结构进行了表征。研究结果表明：所得GO含氧量为32.3wt%,GO纳米片层的厚度为6 nm左右,在GO片层表面含有羟基、羧基和磺酸基等活性基团。水泥基复合材料的SEM形貌及力学性能测定结果表明：当GO掺量为0.03wt%时,GO能够使水泥水化产物形成花朵状晶体,并使水泥基复合材料的拉伸强度、抗折强度和压缩强度比对照样品分别提高了65.5%、60.7%和38.9%。提出了GO纳米片层对水泥水化产物的模板调控机制,揭示了花状晶体的形成过程。     

Simulation of water permeability and water vapor diffusion through hardened cement paste

The transport properties of cement-based materials significantly affect their durability. This results from the fact that most of the damaging reagents are transported, often solved in water, through the open pore space into the microstructure. This paper focuses on simulating water permeation (movement under a gradient of pressure) and water vapor diffusion (movement under a gradient of concentration) through hardened cement paste (hcp). The main goal is to derive the water permeability and the water vapor diffusion coefficient directly from the morphology of the 3D microstructure. For this purpose microtomographic images of a hcp made of ordinary Portland cement are used to represent the microstructure and especially the pore space through which the moisture transport will occur. With the use of a skeletonization algorithm, also known as “thinning algorithm”, the skeleton or centerline of the pore space is extracted. This skeleton is in a second step converted into a transportation network of cylindrical tubes. Bernoulli's law is applied to every tube for simulating water permeation. The permeability coefficient is then calculated by using Darcy's law. In the case of water vapor diffusion the diffusion coefficient is calculated using Fick's law. An erratum to this article is available at .     

氧化石墨烯增强水泥复合材料的断裂性能

将氧化石墨烯(GO)加入水泥砂浆中,以提高其抗裂性和韧性.通过三点弯曲梁法测试了GO增强水泥砂浆试件的断裂性能,采用双K断裂模型分析了GO掺量对改性水泥砂浆断裂参数的影响.结果表明:GO提高了水泥砂浆试件的起裂韧度,当GO掺量(与胶凝材料质量比)为0.01％～0.07％时,较对照组分别提高了13.4％、25.4％、24...     

氧化石墨烯的制备及结构研究进展

氧化石墨烯是一种表面含有丰富的含氧官能团石墨烯衍生物.氧化石墨烯拥有较大的比表面积、良好的亲水性和生物亲和性,被广泛应用于传感器、储能材料、药物载体、催化等领域.本文介绍了近几年氧化石墨烯的制备方法,简述了由Hummers法制备氧化石墨烯的生成机理,主要概括了氧化石墨烯新的结构模型,提出寻找高效绿色的氧化剂是制备氧化石墨烯的关键,确定氧化石墨烯的结构对其表面改性及在复合材料的应用和发展有重要的影响.     

硬化水泥净浆基于纳米压痕的相态识别与水化程度计算

采用纳米原位压痕手段测量硬化水泥净浆中单一相态的代表性微观力学性能,并采用纳米点阵压痕研究各相态的含量。研究对象囊括水灰比为0.3、0.4、0.5的纯水泥净浆和水灰比为0.3情况下含50%、70%矿渣掺量复合体系,共5种配比,以表征它们的相态分布和微观力学性质的异同点。掺矿渣的试件中含有明显多的复合相,因此提出三相模型测算复合相中未水化物的体积分数。此外,提出基于纳米压痕技术计算纯水泥和掺矿渣水泥试件水化程度的方法,结果吻合于热重分析的结果,其中纯水泥净浆中复合相较少,计算得到的水化程度优于对掺矿渣水泥试件的计算。     

硬化水泥浆体弹性模量细观力学模型

应用复合材料力学理论和有孔介质力学(Poromechanics)理论建立了一个描述硬化硅酸盐水泥浆体弹性模量的细观力学模型, 将硬化水泥浆体从不同尺度上划分为4个层次, 即C-S-H凝胶、 水泥水化产物、 水泥浆体骨架和水泥浆体, 分别应用不同的细观力学模型予以描述: 将C-S-H视为饱和的有孔介质; 应用Mori-Tanaka模型描述水泥水化产物的弹性性质; 应用三相模型(Three-phase model)模拟水泥浆体骨架的有效弹性模量; 最后, 再次应用Mori-Tanaka模型和有孔介质理论, 计算水泥浆体的排水和不排水弹性模量(Drained and undrained elastic moduli)。该模型所需要的参数为水泥浆体各个组成部分的自身弹性性质, 使用方便。通过预测文献中的实测结果, 证明了该模型的有效性。