Nanocellulose for improved concrete performance: A macro-to-micro investigation for disclosing the effects of cellulose filaments on strength of cement systems

材料科学 纳米压痕 微观结构 抗弯强度 复合材料 韧性 纳米纤维素 弹性(材料科学) 水泥 弹性模量 蠕动 抗压强度 纤维素 化学工程 工程类
作者
Ousmane A. Hisseine,William Wilson,Luca Sorelli,Balázs Tolnai,Arezki Tagnit‐Hamou
出处
期刊:Construction and Building Materials [Elsevier BV]
卷期号:206: 84-96 被引量:108
标识
DOI:10.1016/j.conbuildmat.2019.02.042
摘要

To fulfill further eco-efficiency requirements, concrete technology practitioners are currently challenged to provide concretes with tailored properties to meet sustainability and resilience requirements for infrastructural systems. As such, nano-engineering concrete by incorporating nanocellulose materials (NCM) can disclose new research directions for tailoring properties necessary for sustainable cement composites. The current study investigates the performance of cement systems incorporating cellulose filaments (CF) and aims at fostering new understanding of the macroscale mechanical performance with a top-down multiscale approach. The study investigates the mechanical performance (i.e., compressive strength, flexural capacity, and elastic modulus) at macroscale of cement pastes incorporating CF at dosages of 0.0%, 0.05%, 0.10%, 0.20% and 0.30 wt%. The findings are supplemented by microstructure investigations, namely, degree of hydration and micromechanical properties (hardness, indentation modulus, and contact creep modulus) of microstructure phases using nanoindentation coupled with quantitative energy-dispersive spectroscopy (NI-QEDS). Results showed that CF incorporation resulted into 15–25% enhancements in macro-mechanical properties with up to 74% enhancement in flexural toughness. These enhancements are driven by a twofold microstructure change, i.e.: increased degree of hydration (15%) and higher micromechanical properties of C-S-H matrix (∼12–25%). CF is a promising nano-reinforcement for engineering cement composites with superior mechanical performance, while promoting the development of ecological construction materials.
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