Engineering：纳米混凝土界面过渡区的纳米力学特性

Engineering：纳米混凝土界面过渡区的纳米力学特性

题目：Nanomechanical characteristics of interfacial transition zone in nano-engineered concrete

纳米混凝土界面过渡区的纳米力学特性

关键词：混凝土; 纳米填料;界面过渡区; 纳米压痕; 微观力学模型;纳米核效应

出版年份：2021

来源：Engineering

课题组：大连理工大学董素芬、韩宝国教授课题组

背景介绍

众所周知，骨料与水泥浆体之间的界面过渡区(ITZ)在微观结构和组成上与水泥浆体有明显不同。其厚度一般为20 ~ 50 μm，孔隙率较高，模量和硬度较低，强度低于水泥浆体。ITZ的形成主要是由于壁效应、絮凝效应和单侧生长效应。该区域在细观尺度上是混凝土中最弱的相，在一定程度上决定了混凝土的性能。因此，许多技术被用于改善骨料与水泥浆体之间的ITZ特性，如使用预处理骨料或矿物掺合料。纳米填料的加入也可以改善ITZ的性能。

随着纳米压痕技术的发展，现在有新技术在纳米尺度上表征混凝土中物相的固有纳米力学特性。此外，还采用了一种称为统计纳米压痕技术(SNT)的定量分析方法，通过概率分布函数或最大似然估计来识别每个物相的纳米力学性质和体积分数。  

研究出发点

研究内容

表1 纳米填料的物理性质

表2 配合比

图1 混凝土中水泥浆不同物相的典型荷载-压深曲线

图2 纳米压痕试验的加载点阵示意图。

图3 骨料和水泥浆间ITZ的压痕模量等高线图。

图4 骨料和水泥浆间ITZ的硬度等高线图。

图5 骨料和水泥浆间ITZ区域的压痕模量/硬度分布。

图6 ITZ纳米压痕试验压痕模量的实验频率图和理论反卷积结果

图7 ITZ纳米压痕试验硬度的实验频率图和理论反卷积结果

图8 ITZ中各物相的体积百分率

表3压痕模量和硬度的反卷积结果

图9 纳米填料对ITZ水化过程的影响

图10  C-S-H凝胶堆积密度-压痕模量/硬度拟合结果

图11  高密度C-S-H和纳米成核C-S-H的荷载-压深曲线

图12  所有种类水化产物的多尺度模型

图13 纳米压痕实验过程的示意图

结论

本研究利用纳米压痕技术和SNT研究了纳米填料对混凝土ITZ纳米力学性能的影响。本研究还根据实验结果和微力学模型揭示了纳米填料的潜在机理。纳米填料的加入使ITZ的水化程度提高，MPs和LD C-S-H含量降低，HD C-S-H和UHD C-S-H含量增加。这些影响归因于纳米填料对混凝土ITZ水化过程的影响。纳米填料能吸附水泥浆体溶液中的离子。离子的吸收使可水化物质在纳米填料表面沉淀、水化和生长，最终形成大量的纳米核壳元素。这些作用可以提高水泥浆体的水化程度，改善水泥浆体的外部水化产物。

特别是首次发现了一种新相纳米成核 C-S-H，其硬度为2.50±0.23 GPa，压痕模量与HD C-S-H或UHD C-S-H相似。模拟结果表明，纳米填料的存在使LD C-S-H的堆积密度接近HD C-S-H或UHD C-S-H，并显著改变了C-S-H凝胶之间的相互作用(粘附和摩擦)，从而形成纳米成核C-S-H，进一步提高了ITZ的性能。这些发现表明纳米填料在纳米尺度上对过渡区有显著的改善作用，有助于进一步理解和调控纳米填料改性混凝土的性能。