Study on graphite and graphene oxide as additives in cement : influence on C-S-H formation

The introduction of nanomaterials to improve fracture toughness and mechanical strength is frequently reported in literature. Nanomaterials can be highly reactive and accelerate the hydration of cement by providing attachment and nucleation sites for C-S-H and they can also make the microstructure denser. Graphene oxide can strengthen the brittle matrix of cement by combining the excellent mechanical properties of graphene with a homogeneous dispersion, thanks to the oxygen functionalities. In this thesis work, we applied graphite nanoplatelets and graphene oxide sheets to some constituents of cement, in order to investigate on the mechanism of interaction of these nanomaterials with cement hydration products. To simplify the system, we chose to focus on the C-S-H phase, that is also the most significant among cement hydration products and the one giving mechanical resistance. We used CaO and SiO2 to trigger a pozzolanic reaction and efficiently form C-S-H by adding demineralized water in excess. We produced the calcium ox-ide from calcium carbonate and we used two different types of silica, silica fume and Aerosil© 200. Graphite nanoplatelets and graphene oxide were dispersed in water, and to further improve dispersion, a polycarboxylate dispersant was used and ultrasound agitation was performed. We kept each reaction under mechanical agitation and thermostatic control for four weeks and we collected samples at the end of every week by centrifuging them and vacuum-drying them. The solid samples from the reactions were obtained by stopping the reaction with a mixture of methanol and acetone. To characterize and analyze the samples, we perform Raman scattering, FTIR, XRD, SEM and TG analyses. The collected data have then been processed and critically organized.

L’impiego di nanomateriali per migliorare la tenacità e la resistenza meccanica è un ar-gomento riportato spesso in letteratura. I nanomateriali possono essere molto reattivi e accelerare l’idratazione del cemento fornendo siti di attacco e nucleazione per il C-S-H e possono inoltre rendere più densa la microstruttura. Il grafene ossido può rinforzare la fragile matrice del cemento combinando le eccellenti proprietà meccaniche del grafene con una dispersione omogenea, grazie ai gruppi funzionali contenenti ossigeno. Nella presente tesi, abbiamo aggiunto grafite nanometrica e grafene ossido ad alcune materie prime che sono costituenti del cemento, per approfondire i meccanismi d’interazione di tali nanomateriali con i prodotti d’idratazione del cemento. Per semplificare il sistema, ab-biamo scelto di focalizzarci sulla fase del C-S-H, la quale è anche la più consistente tra i pro-dotti d’idratazione del cemento e quella che fornisce resistenza meccanica. Abbiamo usato CaO e SiO2 per innescare una reazione pozzolanica e produrre efficacemente C-S-H mediante aggiunta di acqua demineralizzata in eccesso. In particolare, abbiamo prodotto l’ossido di calcio a partire dal carbonato di calcio e abbiamo usato due diversi tipi di silice, fumo di silice e Aerosil© 200. La grafite nanometrica e il grafene ossido sono stati dispersi in acqua, e per migliorare ulteriormente la dispersione, abbiamo usato un policarbossilato come agente disperdente e agitato la dispersione mediante ultrasuoni. Abbiamo tenuto ciascuna reazione in agitazione meccanica e controllo termostatico per quattro settimane, raccogliendo campioni alla fine di ogni settimana centrifugandoli e asciugandoli sotto vuoto. I campioni di solido provenienti dalla reazione sono stati ottenuti fermando la reazione con una miscela metanolo e acetone. Per caratterizzare e analizzare i campioni, abbiamo effettuato analisi Raman, FTIR, XRD, SEM e TGA. I dati raccolti sono stati quindi elaborati e organizzati in modo critico.