纳米纤维素晶体对水泥基材料水化反应及微观结构影响机理的研究

Cellulose nanocrystal (CNC) is a lightweight, hydrophilic, nano-sized renewable biomass material, with high tensile strength and high chemical stability. Comparing to “traditional”inorganic nanomaterials used to enhance cement-based material, CNC has many advantages including easy to disperse, low cost, and low health and environmental risks. In this research, a mechanistic study on hydration and microstructures of CNC-cement composites is proposed. The detailed hydration process and resulting microstructures of CNC-cement composites will be investigated and analyzed by TEM, SEM, and FTIR. The focus will be the exact means of CNC participating in hydration reaction, the tomography of the hydration products, and the chemical bonds between CNC and different cement compositions. Due to CNC’s hydrophilic property, a special attention will be given to the movement of water molecules between CNCs and cement particles by AFM and heavy water tracer. The results will be applied to test three viable enhancement hypotheses including seeding effect hypothesis, nanoscale porosity hypothesis, and nanoscale internal curing hypothesis. This research will provide insights and theoretical basis for the design and engineering application of CNC-cement concrete in the near future.

纳米纤维素晶体（CNC）作为生物质可再生材料，具有轻质、高强度、高化学稳定性以及高亲水性等特性，将其应用在水泥基材料中，不但可以提高复合材料的强度，又能克服传统无机纳米添加材料不易分散、价格高昂、健康与环境风险大等缺点。本项目拟以CNC作为增强体，制备CNC水泥基复合材料，应用透射电子显微镜、扫描电子显微镜以及红外线质谱仪等测试手段，对其水化产物的微观结构进行观测，分析水化反应过程中CNC与水泥组分的结合形态、成键位置与类型，揭示CNC对水泥基体的增强效果。同时，采用原子力显微镜和重氧水示踪法，阐明水分子在CNC与水泥基体间的相互作用机制与迁移规律，验证CNC对水泥基复合材料的三种增强机理假说（晶种效应假说、纳观孔隙假说、纳观内养护假说）。研究成果可以为CNC水泥混凝土的设计及工程应用提供科学依据。

在土木工程材料科学及应用领域，人们一直在研究探索强度更高、耐久性更好、更廉价与低碳的水泥混凝土材料。纳米纤维素是一种天然有机纳米材料，其原料来源广泛，属于绿色可再生材料。其中纳米纤维素晶体（Cellulose nanocrystal, CNC）轻质高强，呈“棒状”或“针状”，长径比高，化学稳定性好，表面富含羟基等基团，有利于功能化改性。CNC作为水泥基的增强材料，具有广泛的应用潜能。. 本项目以高纯度竹纤维浆板为原料，筛选适合在水泥中使用的CNC，制备CNC增强水泥复合材料，评价不同CNC掺量对水泥复合材料的水化性能及力学性能影响，揭示其增强机理。采用红外光谱、X射线衍射、投射电镜等技术揭示水化产物的形成，探究CNC与水化产物的结合及相互作用机制。.结果显示由酸法制备得到CNC(-)对硅酸盐水泥的力学性能有一定的提升，但效果有限。对CNC(-)进行表面阳离子改型，制备得到CNC(+)水泥基复合材料，对硅酸盐水泥（水化产物电位势主要为负）的力学性能提升明显。. 为进一步探究CNC对水泥基复合材料的增强机理，实验室制备了高纯度水泥单组分C3S（负电）及C3A（正电），通过添加CNC(-)及CNC(+)研究对纯C3S体系的影响机理，发现CNC(+)组对力学性能的提升效率要远高于CNC(-)组。XRD及FTIR结果显示CNC的加入提高了水化产物的含量，但并未与水泥分子之间形成新的化学键。TEM结果显示CNC(+)更明显的吸附在C3S水化产物表明从而提高了水化程度。加入C3A后，CNC(-)组水化产物明显下降，CNC(+)组则无显著变化。总有机碳吸附实验结果表明随着C3A含量的增大对CNC(-)组有着更强的吸附作用，CNC(+)组无显著变化。TEM结果显示CNC(-)易吸附在C3A水化产物AFt上，而CNC(+)则始终吸附在C-S-H上从而在后期提高材料强度。. 制备CNC(-)铝酸盐水泥（正电）基复合材料，发现CNC(-)的加入可以有效提升铝酸盐水泥材料的抗压及抗折强度，XRD结果表明CNC(-)的加入提高了水化产物生成量，这很好的证明了CNC在水泥中的存在形式容易受到自身及浆体Zeta电位的影响，其分布规律及吸附形态会显著影响对水泥基材料的增强作用。