大连理工大学研究揭示纳米工程混凝土界面过渡区的纳米力学特征 | Engineering

混凝土内部水泥石相和骨料相之间界面过渡区（interfacial transition zone，ITZ）的微观结构和组分与水泥石相有显著差别。通常情况下，ITZ的厚度为20~50 μm，具有孔隙率高、强度低、模量低、硬度低等特点。水泥石-骨料ITZ的形成主要是由于骨料表面附近存在边壁效应、絮凝效应和单边生长效应。由于在细观尺度上通常是混凝土内部最薄弱的相，因此ITZ在很大程度上决定了混凝土的性能。部分文章采用了多种方法来改善水泥石-骨料ITZ的性能，如使用预处理的骨料或掺加矿物掺合料。此外，水泥石复合纳米填料可显著改善水泥石-骨料ITZ的性能。然而，由于纳米中心-壳单元的尺寸微小，对于其组成、结构与特性的认识尚不清晰和明确。

大连理工大学董素芬、韩宝国研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年10月刊发表了题目为《纳米工程混凝土界面过渡区的纳米力学特征》的研究性文章，利用纳米压痕试验和统计学方法研究了纳米填料对水泥石与骨料间ITZ的影响，并通过微观力学分析揭示了影响机制。纳米压痕试验结果表明，水泥石复合纳米填料可提高水泥石-骨料ITZ内部水化程度，减少微孔隙和低密度水化硅酸钙（low-density calciumsilicate hydrate，LD C-S-H）的含量，增加高密度水化硅酸钙（high-density calcium silicate hydrate，HD C-S-H）和超高密度水化硅酸钙（ultra-high-density calcium silicate hydrate，UHD C-S-H）的含量。此外，文章表征了一种新的由于纳米中心效应诱导产生的低密度水化硅酸钙（nano-core induced low-density calciumsilicate hydrate，NCILD C-S-H），其压痕模量与HD C-S-H和UHD C-S-H相似，但硬度高达2.50 GPa。微观力学分析结果表明，ITZ水泥石复合纳米填料后产生的纳米中心-壳单元会增加LD C-S-H的堆积密度，并显著增强水化硅酸钙（calcium silicate hydrate，C-S-H）基本粒子之间的相互作用（包括黏聚力和摩擦力），从而诱导产生NCILD C-S-H，进而改善ITZ。文章为在纳米尺度上理解纳米填料对混凝土ITZ的影响提供了理论基础。

值得注意的是，不同种类的纳米填料对ITZ内水化产物的压痕模量和硬度的影响程度不同。在水泥石复合纳米填料后，ITZ内部水化产物的平均压痕模量仍低于水泥石内部水化产物的压痕模量。而在水泥石中掺入2%纳米氧化钛、0.3%镀镍多壁碳纳米管与0.5%多层石墨烯后，水泥石-骨料ITZ内部水化产物的硬度超过了水泥石内的水化产物的硬度。这些差异可归因于纳米填料对ITZ内水化产物压痕模量和硬度的不同影响机理。

文章表明，较高的水化程度意味着将有更多的水化产物填充骨料和胶凝粒子之间的孔隙，从而降低ITZ的孔隙率。此外，纳米中心-壳单元的形成有利于改善外部水化产物（主要是LD C-S-H）。因此，纳米填料的存在将使LD C-S-H的微观结构更加致密，使其性能与HD C-S-H或UHD C-S H相似。文章所获得的纳米填料在纳米尺度上对水泥石-骨料ITZ的改性效果与机制，将进一步有助于理解和调控纳米工程混凝土的性能。在上述机制的作用下，水泥石掺入纳米填料后，水泥石-骨料ITZ内部MP和LD C-S-H的含量减少，HD C-S-H和UHD C-S-H含量提高，并生成具有更优性能的NCILD C-S-H。综上所述，纳米填料可提高水泥石-骨料ITZ微观结构的致密程度，使ITZ的性能更接近水泥石相的性能。