氧化石墨烯纳米片对水泥浆体力学性能的影响：C-S-H纳米颗粒的堆积方式及其作用机制

《CEMENT AND CONCRETE RESEARCH》：Size effects of graphene oxide nanosheets on the mechanical property of cement pastes: Packing of C-S-H nanoparticles and mechanism

纳米材料尺寸效应在水泥基材料中的强化机制研究，系统分析了石墨烯氧化物（GO）尺寸对水泥水化、微观结构和力学性能的影响。实验表明大尺寸GO显著提升C-S-H相密度与水化程度，通过增强模板效应和界面结合抑制C-S-H重分布，使抗压强度提高48.11%，徐变降低71.13%。

　　在现代建筑行业中，对高性能、长寿命材料的需求日益增长，推动了水泥基材料的纳米改性研究。纳米材料因其独特的物理和化学特性，被认为可以显著提升水泥基材料的力学性能、耐久性和功能特性。例如，纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、碳纳米管（CNTs）、石墨烯及其氧化物（GO）等纳米材料已被广泛应用于水泥基复合体系中，以改善其微观结构并增强其宏观性能。然而，尽管这些纳米材料在聚合物和金属复合材料中的尺寸效应已被深入研究，但在水泥基材料中，其尺寸对性能的具体影响仍缺乏系统性的探讨。本文旨在通过多尺度实验方法，深入分析石墨烯氧化物（GO）的横向尺寸对其在水泥基材料中微观结构演变和宏观力学行为的影响，特别是其对水泥水化、微观结构、强度和蠕变性能的调控作用。

研究团队选择了两种不同横向尺寸的GO纳米片，即小尺寸GO（SGO）和大尺寸GO（LGO），以探讨尺寸变化如何影响水泥基材料的性能。SGO的平均横向尺寸约为0.6至1微米，厚度约为1纳米；而LGO的横向尺寸则达到了7至12微米，厚度略厚，约为1.5纳米。通过多种光谱技术对这两种GO进行了表征，结果显示它们的表面均呈现粗糙、褶皱的特征，这是由于其超薄结构和固有缺陷所致。进一步的实验分析表明，GO的横向尺寸对其在水泥基材料中的作用机制具有重要影响。特别是，大尺寸GO（LGO）表现出更强的模板效应，能够促进水泥水化产物——水化硅酸钙（C-S-H）的成核和颗粒间的结合，从而提高C-S-H的堆积密度和水化程度。这些变化不仅提升了水泥基材料的力学性能，还有效抑制了其在长期荷载下的蠕变现象。

在水泥基材料的微观结构方面，研究发现，随着GO的添加，孔隙分布发生了显著变化。具体而言，GO的引入使得水泥浆体的孔隙尺寸向左偏移，即减少了最可能的孔隙尺寸。在0.05%的LGO添加量下，SGC-5和LGC-5的最可能孔隙尺寸分别减少了5.27%和10.27%。这一现象表明，GO的加入有助于形成更细小的凝胶孔隙，并减少微米级的毛细孔隙。同时，大于100纳米的空气孔隙也有所减少，而介孔（50–100纳米）则基本保持不变。这种孔隙结构的细化可以有效提高水泥基材料的密实度，从而增强其力学性能和耐久性。

在力学性能方面，研究团队通过多尺度实验方法，对水泥浆体的抗压强度、抗折强度和蠕变性能进行了系统评估。实验结果显示，0.05%的LGO添加量对水泥浆体的抗压强度、抗折强度和蠕变阻力（接触蠕变模量）分别提升了48.11%、25.90%和71.13%。这些显著的性能提升表明，LGO在水泥基材料中的作用机制远比SGO更为有效。进一步的分析指出，LGO之所以能够实现更高的性能提升，主要得益于其更大的横向尺寸和更强的模板效应。这种效应不仅促进了C-S-H的成核和生长，还增强了纳米颗粒之间的相互作用，从而提高了材料的整体强度和稳定性。

此外，研究还发现，GO的尺寸效应在调控水泥基材料的蠕变性能方面具有重要作用。通常认为，蠕变是由于水泥水化产物在长期荷载下的重分布所致，而GO的加入则通过提高C-S-H的堆积密度和改善界面结合，有效限制了这种重分布过程。具体而言，LGO在提高C-S-H密实度的同时，还通过调节界面结合的方式，进一步增强了水泥基材料的抗蠕变能力。这一机制在以往的研究中并未被充分关注，因此本研究的发现具有重要的理论和应用价值。

在界面结合方面，研究团队通过纳米压痕和微压痕技术，对GO与水泥基材料之间的相互作用进行了深入分析。结果表明，LGO由于其更大的横向尺寸，能够更有效地促进C-S-H纳米颗粒之间的相互作用，从而形成更紧密的结构。相比之下，SGO的较小尺寸限制了其在水泥基材料中的作用范围，导致界面结合强度相对较低。这一现象说明，GO的尺寸对其在水泥基材料中的功能发挥具有决定性作用。因此，在设计和应用GO改性的水泥基材料时，应充分考虑其尺寸效应，以实现最佳的性能提升。

为了进一步验证这些假设，研究团队还采用了高分辨率显微技术，对水泥基材料的微观结构进行了详细观察。结果表明，LGO的加入显著改善了水泥浆体的微观结构，形成了更均匀的C-S-H网络。这种结构的优化不仅提高了材料的力学性能，还增强了其长期稳定性。通过对比不同尺寸GO的微观结构特征，研究团队发现，大尺寸GO在促进C-S-H成核和增强颗粒间结合方面表现出更强的能力，而小尺寸GO则主要通过表面化学修饰来改善其与水泥基材料的相容性。

在实验设计方面，研究团队采用了多尺度实验方法，包括纳米压痕、微压痕、高分辨率显微表征和宏观力学测试。这些方法的综合应用使得研究人员能够从微观到宏观层面全面分析GO尺寸对水泥基材料性能的影响。纳米压痕测试用于评估材料的硬度和弹性模量，微压痕测试则用于分析界面结合强度。高分辨率显微技术，如原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM），用于观察GO的形态和分布，以及其在水泥基材料中的相互作用。宏观力学测试则用于评估水泥浆体的整体力学性能，包括抗压强度、抗折强度和蠕变性能。通过这些实验手段的结合，研究团队能够更准确地揭示GO尺寸对水泥基材料性能的调控机制。

研究还探讨了GO在水泥基材料中的分散性问题。由于水泥浆体的孔隙溶液具有高度离子浓度，纳米材料的分散性往往难以保证。然而，研究团队发现，GO的高化学亲和力使其在水泥基材料中具有较好的分散性。此外，通过表面化学修饰和高剪切混合等方法，GO的分散性可以进一步提高。这些发现表明，GO的尺寸不仅影响其在水泥基材料中的作用机制，还对其实现良好分散的可行性具有重要影响。因此，在实际应用中，应结合具体的工程需求，选择合适的GO尺寸和分散方法，以充分发挥其在水泥基材料中的性能优势。

综上所述，本研究通过系统分析GO的尺寸效应，揭示了其在水泥基材料中的关键作用机制。研究发现，大尺寸GO（LGO）在提高C-S-H堆积密度、促进水化反应和增强界面结合方面具有显著优势，从而有效提升了水泥基材料的力学性能和抗蠕变能力。这些发现不仅为水泥基材料的纳米改性提供了新的理论依据，还为高性能水泥基材料的设计和优化提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步探索不同尺寸GO在不同环境条件下的性能表现，以及其与其他纳米材料的协同作用，以推动水泥基材料在建筑领域的应用和发展。