用MgO基水泥稳定的粘土中的分散机制

《CEMENT AND CONCRETE RESEARCH》：Dispersant mechanisms in clays stabilized with MgO-based cement

本研究系统探究了石墨烯氧化物（GO）尺寸效应对水泥基材料水化、微观结构、力学性能及蠕变行为的影响。结果表明，大尺寸GO（LGO）显著提升水泥基材料的抗压强度（48.11%）、抗折强度（25.90%）和蠕变抵抗（71.13%），其机制在于LGO增强的模板效应和界面结合促进C-S-H密堆积，抑制荷载下C-S-H重分布。该研究为纳米材料尺寸调控提供新途径。

　　在建筑材料领域，随着建筑行业对高性能、长寿命材料的需求不断增长，纳米改性技术逐渐成为研究的热点。纳米材料因其独特的物理和化学特性，在提高水泥基材料的力学性能、耐久性以及功能性方面展现出巨大潜力。常见的纳米材料包括纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、碳纳米管、石墨烯及其氧化物（GO）等。这些材料能够通过调控水化产物的微观和纳米结构，增强内部矩阵的致密性，细化孔隙结构，并改善材料的力学性能，同时对长期性能如收缩和蠕变产生重要影响。

尽管已有大量研究探讨了纳米材料在聚合物和金属基复合材料中的尺寸效应，但在水泥基材料中，这一效应尚未得到充分验证。本研究旨在系统分析石墨烯氧化物（GO）在水泥基材料中的尺寸效应，重点关注其对水泥水化、微观结构、强度以及蠕变性能的影响。通过对比不同尺寸的GO（即小尺寸GO和大尺寸GO），我们发现大尺寸GO在多个方面表现出显著优势。它不仅能够提高C-S-H（水化硅酸钙）的堆积密度和水化程度，还能增强材料的力学性能，并有效降低蠕变现象。这些性能的提升源于大尺寸GO更强的模板效应和更大的横向尺寸，这些特性有助于促进C-S-H的成核和颗粒间的结合，从而在受载条件下限制C-S-H的再分布。

此外，本研究还揭示了GO在提升材料蠕变性能方面的另一重要机制。除了通过提高C-S-H的致密性外，GO还能通过尺寸依赖的方式调控界面结合。这一机制在以往的研究中被忽视，而本研究则通过实验验证了其存在。这些发现强调了纳米材料尺寸效应在调控应力传递和微观结构演化中的关键作用，为设计高性能水泥基材料提供了新的思路。

在研究过程中，我们采用了一种多尺度实验方法，结合纳米压痕、微压痕、高分辨率显微表征以及宏观力学测试，全面分析了不同尺寸GO对水泥浆体微观结构演化和力学行为的影响。通过比较小尺寸GO（SGO）和大尺寸GO（LGO），我们发现GO的尺寸对C-S-H的分布和孔隙结构具有显著调控作用。实验结果表明，GO的加入能够有效细化孔隙结构，减少最大可能孔径，并增加小于50纳米的凝胶孔和微小毛细孔的比例，同时减少大于100纳米的空气孔。这种孔隙结构的改善可以归因于高密度和超高密度C-S-H的体积比例增加。

为了进一步验证GO的尺寸效应，我们还进行了纳米压痕蠕变测试，以揭示GO引发的纳米尺度结构变化与水泥基材料长期力学稳定性之间的内在联系。测试结果表明，大尺寸GO在提升材料的压缩强度、弯曲强度和蠕变性能方面表现出显著优势。特别是在0.05%的LGO掺量下，水泥浆体的压缩强度、弯曲强度和蠕变性能分别提高了48.11%、25.90%和71.13%。这一结果表明，GO的尺寸对材料性能具有重要影响，且这种影响在宏观和微观层面均有所体现。

本研究还对GO的物理和化学特性进行了系统分析。通过多种光谱技术，我们发现SGO和LGO在结构上存在显著差异。SGO的横向尺寸约为0.6-1微米，厚度约为1纳米，而LGO的横向尺寸则在7-12微米之间，厚度略大于1.5纳米。两种GO均具有粗糙、褶皱的表面，这是由于其超薄结构和内在缺陷所致。这些表面特征对GO与水泥基材料之间的界面相互作用具有重要影响。

在实际应用中，GO因其丰富的含氧官能团，表现出较高的化学亲和力，能够有效与水化产物结合，从而提高其分散性。这种高分散性使得GO能够在水泥基材料中均匀分布，发挥其最佳的增强效果。相比之下，其他纳米材料如碳纳米管的分散性较差，导致其与水泥基材料之间的界面结合较弱。因此，GO在水泥基材料中的应用具有独特优势。

本研究还探讨了GO的尺寸对水泥基材料微观结构演化的影响。通过多尺度实验方法，我们发现大尺寸GO能够更有效地促进C-S-H的成核和颗粒间的结合，从而提高材料的致密性和力学性能。此外，大尺寸GO的加入还能有效减少材料的蠕变现象，这可能是由于其更强的模板效应和更大的横向尺寸，使得C-S-H在受载条件下不易发生再分布。这些发现为理解纳米材料在水泥基材料中的增强机制提供了新的视角。

在研究过程中，我们还注意到，尽管表面化学修饰和分散优化是提高纳米材料增强效果的常见方法，但纳米材料的尺寸同样是影响其性能的重要参数。因此，如何合理设计纳米材料的尺寸，以实现最佳的增强效果，成为研究的关键。本研究通过实验验证了大尺寸GO在提高水泥基材料性能方面的优势，为未来的材料设计提供了理论依据和实验支持。

本研究的成果不仅有助于深入理解纳米材料在水泥基材料中的增强机制，还为设计高性能水泥基材料提供了新的思路。通过调控纳米材料的尺寸，可以有效改善材料的微观结构，提高其力学性能和长期稳定性。这一研究结果对推动水泥基材料的纳米改性技术具有重要意义，也为相关领域的进一步研究奠定了基础。