【原】Cement Concrete Comp. ：纳米压痕研究含纳米SiO₂和纳米TiO₂的地聚物微观力学性能和微观结构

文献速读

Cement Concrete Comp. ：纳米压痕研究含纳米SiO₂和纳米TiO₂的地聚物微观力学性能和微观结构

题目

Nanoindentation on micromechanical properties and microstructure of geopolymer with nano-SiO₂ and nano-TiO₂

纳米压痕研究含纳米SiO₂和纳米TiO₂的地聚物微观力学性能和微观结构

来源

出版年份：2021年

期刊：Cement and Concrete Composites

课题组：悉尼科技大学Li Wengui课题组

研究出发点

地聚物是一种由氧化铝和富硅前驱体材料经碱性或碱硅酸盐激发合成的铝硅酸盐胶凝材料。纳米材料的应用可提高地聚物的性能，例如纳米SiO₂、纳米Al₂O₃、纳米TiO₂、纳米粘土和碳纳米管等可以提高地聚物的强度；纳米SiO₂可以提高地聚物的耐久性；纳米粘土可以降低地聚物的吸水率。目前，纳米技术在地聚物中应用的研究较少，且现有研究中，纳米材料的改性和纳米力学表征是分开的。随着纳米技术对地聚物改性研究的不断深入，有必要推动纳米科学的研究，以帮助了解相关机理，为进一步提高地聚物的性能奠定基础。

研究内容

对掺有2%纳米SiO₂/纳米TiO₂的粉煤灰基地聚物进行了微观结构和统计纳米压痕（SNT）分析，揭示了水合铝硅酸钠（N-A-S-H）凝胶的微观力学性能变化，并结合X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）和水化热测试进行了性能研究和机理分析。

图1 含纳米TiO₂地聚物的统计纳米压痕结果

图2 含纳米SiO₂地聚物和对照组的统计纳米压痕结果

主要结论

（1）相较于未添加纳米材料的地聚物而言，添加2%纳米SiO₂和纳米TiO₂的地聚物在28 d时强度分别提升17.38%和10.49%，但工作性能略有下降。

（2）统计纳米压痕（SNT）与背散射电子技术（BSE）得到的水合铝硅酸钠（N-A-S-H）凝胶的含量差异显著，前者小于后者约50%。这是由于高非均匀性地聚物的测点有限，使得SNT比BSE结果更不可靠。此外，多相相互作用导致SNT检测到的凝胶量显著降低。

（3）纳米SiO₂和纳米TiO₂均提高了地聚物的早期水化反应速率，但不同样品在后期的水化反应程度没有显著差异。不含纳米材料与含纳米材料的地聚物在28 d时的凝胶含量变化范围较小，为49.16% ~ 54.02%。

（4）由5 nm左右的球状颗粒包裹的凝胶颗粒的尺寸与分散良好的纳米颗粒的尺寸相似，大都超过30nm。纳米粒子与凝胶粒子结合形成具有更高力学性能的复合材料。不含纳米材料、含纳米SiO₂和含纳米TiO₂的地聚物中N-A-S-H弹性模量分别为11.03 GPa、13.30 GPa和15.17 GPa。

（5）纳米颗粒具有较高的力学性能（纳米TiO2最高），但所占比例远低于凝胶颗粒，因此由SNT测得的含纳米材料地聚物中凝胶的微观力学性能略微提高。纳米SiO₂与水玻璃溶液和凝胶颗粒的相容性更好，导致其分散性和粘结性更好，故含纳米SiO₂的地聚物宏观强度高于含纳米TiO₂的地聚物。

文献链接：

https:///10.1016/j.cemconcomp.2020.103883