武汉理工大学余睿教授团队于Cem. Concr. Res.发文:纳米炭黑驱动下微波固化水泥基复合材料导热机理:从声子导热通道向电子导热通道的转变

内容简介

     水泥混凝土产业是全球碳排放的主要来源之一，在建筑行业低碳转型进程中备受关注。低水胶比水泥基复合材料（LW/BCC）凭借优异的力学性能与耐久性，在现代建筑领域备受关注，典型代表包括高性能混凝土（HPC）、超高性能混凝土（UHPC）及高强混凝土等。为提升低水胶比水泥基复合材料的生产效率，微波固化凭借体积加热、快速升温和低能耗优势，成为替代传统蒸汽养护的绿色技术路线。但水泥基材料本身以声子导热为主，声子易在孔隙、界面与微裂纹处发生散射，导致热导率低、受热不均，在微波快速作用下易产生过大温度梯度、内部热应力集中，进而引发微观开裂甚至试样爆裂，严重限制其工程应用。纳米炭黑（nCB）具有高导电、高介电、强微波吸收能力，可在基体中构筑连续导热导电通路，为改善微波固化热均匀性提供了可能。当前研究尚未清晰揭示纳米炭黑作用下微波固化水泥基复合材料的导热机理转变规律，也缺乏对电磁—热—水化多场耦合作用及长期微观结构演化的系统认识，难以支撑该类材料的高效设计与性能调控。

     本研究突破传统水泥基材料微波固化,关注宏观加热工艺优化的局限，从纳米尺度热设计角度切入，创新性地将nCB引入低水胶比水泥基复合材料体系，利用纳米炭黑高导电、高介电、高微波吸收的特性，在材料内部构建连续贯通的电子基热传导通道，成功实现材料主导热传导机制从声子传导向电子传导的转变，改善了微波固化过程中的热分布均匀性。通过nCB的渗流效应协同微波作用，显著提升微波吸收效率与热分布均匀性，使材料早期抗压强度提升约 70%，并缓解热应力开裂与试样爆裂问题。并采用电磁 - 热多物理场耦合模拟，定量验证纳米炭黑在非均匀电磁场下的均温与强化传热作用，建立材料改性与微波固化性能之间的可预测关系。为水泥基复合材料微波固化的纳米改性提供全新理论依据与技术路径，相较于传统改性方法，在提升热均匀性、早期力学性能与降低养护缺陷方面具备显著优势。

     本研究围绕nCB改性低水胶比水泥基复合材料的微波固化技术展开系统性探究，首先完成原材料性能表征并基于颗粒堆积模型开展配合比设计，制备不同NCB掺量的试验试件，同时确定合理的微波固化工艺参数。在此基础上，对微波养护后试件的抗压强度、抗折强度、热导率、表面温度分布及导电性能等宏观指标进行测试，分析nCB掺量与热通道形成的关联规律并确定最优掺量。进一步借助微观测试技术，研究微波作用下水分子迁移特征、水化产物演化过程、C-S-H 凝胶聚合状态及晶体相变化规律，揭示纳米炭黑对水泥水化进程与微观结构形成的调控作用。同时测试材料的介电常数、磁导率及电磁屏蔽效能，阐明nCB提升材料微波吸收与能量耗散能力的电磁作用机理。利用 COMSOL 多物理场模拟软件建立电磁 - 热耦合模型，分析电磁场与温度场分布特征，验证nCB所构建的热通道在改善微波加热均匀性、强化热传导方面的作用。综合宏观性能、微观机理与模拟结果，系统阐释nCB驱动下微波固化水泥基复合材料由声子传导向电子传导转变的核心机制，提出适用于低水胶比水泥基复合材料的微波固化纳米改性优化方法与技术思路。

     本研究提出采用nCB提升水泥基复合材料的微波吸收能力与热均匀性，阐明水化动力学与电磁加热协同机制，基于试验与模拟结果得出以下结论：

      1.纳米炭黑的掺入通过热通道构建显著提升微波固化效率，1% 为最优掺量，此时达到渗流阈值，导电网络大幅强化微波吸收与基体热分布；热传导从 “点线网” 的演化，实现从极化主导热传导向电子主导热传导的转变。

     2.微波诱导的水分子迁移对水化进程起关键作用：水分子在分子极化与微观对流作用下，先从凝胶孔向毛细孔迁移，再逐步回流；该迁移过程大幅提升早期强度，1 天抗压强度较传统养护提升 69%；热通道的形成可缓解基体缺水区域，强化 “致密壳效应”，实现优异力学性能。

     3.微波固化可加速水泥水化与火山灰反应，早期效果尤为显著，同时促进晶体相转变与无定形相聚合，引发钙矾石分解、氢氧化钙形貌抑制等晶体相变化；非热效应调控硅氧四面体排布，生成聚合度更高、结构更完善的长链 C–S–H 凝胶。

     4.多物理场模拟与水化动力学结合揭示了多尺度增强机制：纳米尺度上，水分子与纳米炭黑通过偶极极化、传导损耗实现微波能吸收；微观尺度上，纳米炭黑C–S–H 界面极化与电磁场影响离子迁移，降低反应活化能；宏观尺度上，热通道保障温度均匀分布，形成优良致密壳层，实现早期强度提升。

图1.(a) nCB颗粒的形貌;(b) SEM图像;（c-d）氮吸附法测定的nCB在100 nm范围内的孔隙结构和累积孔体积

图3.(a)红外热图像;(b)微波固化2min后的温度分布;(c)导热性;(d) LW/B-CC样品的电气测试。(e) nCB颗粒的热传导机理

图4.LW/B-CC的电磁特性：(a)介电常数；(b)渗透率;(c)屏蔽效能

图5.(a)电场分布;（b - c）样品温度分布和温度梯度可视化图;(b) 0% -nCB; (c) 1% -nCB