《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Coupling Effect between Ferroelectric/Piezoelectric materials and Hydration Reaction of Portland Cement
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铁电/压电效应通过力-电-化学耦合作用显著加速水泥水化反应，极化表面促进离子迁移与吸附，形成更致密的C-S-H凝胶和方解石，使掺入铁电PVDF纤维的混凝土抗压、抗弯强度持续提升，具备自传感应用潜力。
朱瑞健|张子良|陈星|邹学学|程振祥|耿国清|冯攀|冉倩萍|王增梅
中国东南大学材料科学与工程学院，江苏省建筑材料重点实验室，重大基础设施工程材料国家重点实验室，南京211189
铁电/压电效应在促进各种化学反应方面表现出独特的性能，因此引起了广泛的研究兴趣。在本研究中，首次发现铁电/压电效应会对水泥水化反应产生独特的作用——即力-电-化学耦合效应。极化表面有助于带电溶质和离子的迁移，可能降低能量障碍，从而加速水化反应过程。这使得水化产物具有更高的程度的水化效果，并且C-S-H凝胶在极化表面上的聚合程度增加，从而提高了界面粘结性和强度。含有铁电PVDF（聚偏二氟乙烯）纤维的水泥的抗压强度和抗弯强度显著提升，使其具备作为自感知混凝土的潜力。这项研究将传统水泥与铁电材料结合，揭示了一种控制水泥水化和微观结构的新物理化学机制，在土木工程和结构健康监测领域具有巨大应用前景。
研究部分摘录
耦合效应研究
为了研究铁电表面对水化过程的影响，将未极化的铁电锆钛酸盐（PZT）陶瓷、正极化的PZT、负极化的PZT和STO（锶钛酸盐）悬浮在水泥浆中（水灰比为10:1），并在大气条件下放置1/4天。随后对四种样品表面形成的水化产物进行了表征和比较。用于水泥水化实验的PZT陶瓷为商用PZT8（φ50×2.5mm）。
铁电/压电材料与波特兰水泥水化反应之间的耦合效应
为了研究铁电性对水泥水化反应的影响，我们在水泥浆中悬浮了四种材料，如图2e所示：非铁电性的锶钛酸盐单晶（STO，图2a）、未极化的PZT陶瓷（图2b）、负极化的PZT陶瓷（图2c）和正极化的PZT陶瓷（图2d）。4天后，STO表面仅形成了极薄的水化层（0.1-0.5 μm厚）。相比之下，所有PZT陶瓷表面都形成了明显更厚的水化层：未极化的PZT为13 μm。
展望
总结来说，铁电/压电效应对水泥水化反应表现出独特的力-电-化学耦合效应。具体而言，负极化表面促进了钙离子和带正电的胶体颗粒的电泳迁移和吸附，加速了方解石和富钙C-S-H的形成；而正极化表面则促进了阴离子和带负电的胶体颗粒的迁移和吸附。
作者贡献声明
冉倩萍：研究指导与方法论设计。王增梅：论文撰写、审稿与编辑、数据验证、资金筹集及概念构思。耿国清：论文撰写、审稿与编辑。冯攀：论文撰写、审稿与编辑、方法论设计。邹学学：数据整理。程振祥：论文撰写、审稿与编辑。张子良：实验研究。陈星：实验研究。朱瑞健：方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思
资助信息
本研究得到了中国国家重点研发计划（2021YFB2600800）和国家自然科学基金（项目编号：52578270）的资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
