[论文解读] Creep in reactive colloidal gels: a nanomechanical study of cement hydrates

Michael Haist, Thibaut Divoux+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2020

Concrete and Cement Materials Research参考文献 68被引用 38

一句话总结

本论文表明，在水化水泥浆中的蠕变由 C-S-H 纳米粒子之间的颗粒间滑移支配，LD-C-S-H 与 HD-C-S-H 作为单一颗粒相，其堆积密度决定蠕变。

ABSTRACT

From soft polymeric gels to hardened cement paste, amorphous solids under constant load exhibit a pronounced time-dependent deformation called creep. The microscopic mechanism of such a phenomenon is poorly understood in amorphous materials and constitutes an even greater challenge in densely packed and chemically reactive granular systems. Both features are prominently present in hydrating cement pastes composed of calcium silicate hydrate (C-S-H) nanoparticles, whose packing density increases as a function of time, while cement hydration is taking place. Performing nano-indentation tests and porosity measurements on a large collection of samples at various stages of hydration, we show that the creep response of hydrating cement paste is mainly controlled by the inter-particle distance and results from slippage between (C-S-H) nanoparticles. Our findings provide a unique insight into the microscopic mechanism underpinning the creep response in aging granular materials, thus paving the way for the design of concrete with improved creep resistance.

研究动机与目标

• 在恒定荷载下研究老化水泥浆中的显微蠕变机制。
• 将力学蠕变与水泥水化过程中的微观结构演变联系起来。
• 通过纳米尺度测量区分 LD-C-S-H 与 HD-C-S-H 在蠕变中的作用。
• 量化堆积密度和颗粒间距如何影响蠕变行为。

提出的方法

• 对大量水泥浆样品在不同水化程度下进行纳米压痕，以提取 H、M 和 C。
• 利用 29Si NMR 确定水化度并表征 C-S-H 聚合度（Q1、Q2、Q2(1Al)）。
• 通过高斯混合模型对化学组成和压痕性质进行映射，以识别 LD-C-S-H 和 HD-C-S-H 相。
• 采用微观力学建模根据粒子刚度和相组成估算堆积密度 η。
• 将蠕变模量 C 与颗粒间距 r/d 相关，并通过氮气吸附和 MIP 分析孔隙贡献。
• 在水化过程中提供亚微米级力学、化学和孔隙度的协调视图。

实验结果

研究问题

• RQ1 水化水泥浆的蠕变响应如何取决于水化度？
• RQ2 LD-C-S-H 和 HD-C-S-H 在蠕变行为上是否存在差异，还是可以被视为单一颗粒相？
• RQ3 哪个微观结构参数（例如颗粒间距）是老化水泥浆蠕变的主要控制因素？
• RQ4 蠕变是否由颗粒间滑移主导，而非纳米粒子变形或 C-S-H 的内部聚合？
• RQ5 水化过程中的孔隙变化如何与观测到的纳米尺度蠕变机制相关？

主要发现

• 水化水泥浆中的蠕变主要由 C-S-H 纳米粒子之间的颗粒间滑移控制。
• LD-C-S-H 和 HD-C-S-H 相在水化度增加时显示 H、M、C 增加，可以用共同的以堆积密度为驱动的框架描述。
• 堆积密度 η 随水化度增加，接近最大值约为 0.75，并决定两种 C-S-H 相的力学响应。
• 蠕变模量 C 随着颗粒间距 r/d 减小而大致线性增加，表明蠕变是晶间现象，而非纳米粒子变形。
• C-S-H 二聚体和链长（Q1、Q2、Q2(1Al)）随水化而演变，但早期蠕变与颗粒间距相关，而非纳米尺度聚合。
• LD-C-S-H 和 HD-C-S-H 的孔隙贡献仍然显著，并与独立孔隙率测量结果一致，强化了微观结构、堆积与蠕变之间的联系。