楊 杉，籍鳳秋

(1.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430000;2.石家莊鐵道大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050043)

鋼纖維混凝土是目前作為工程結(jié)構(gòu)材料用途最廣，用量較大的一種纖維混凝土。與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度均有提高，裂后變形性能明顯改善。

納米材料在混凝土中的應(yīng)用前景也十分廣闊。納米材料因具有粒徑小、比表面積大、表面能高以及表面原子所占比例大等特點(diǎn)，而具備了小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和表面效應(yīng)等特有效應(yīng)［1-2］。納米材料的如上特有效應(yīng)，在與混凝土中水泥結(jié)合水化的過(guò)程中，能夠改善水泥硬化漿體的性能以及水泥膠體與骨料的黏結(jié)能力。將納米材料和纖維材料結(jié)合起來(lái)?yè)饺氲狡胀ɑ炷林薪M成復(fù)合材料，充分發(fā)揮每種材料各自的特點(diǎn)，制備出韌性高、抗裂性能好的混凝土，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文采用對(duì)比分析的方法，探討了納米碳酸鈣對(duì)鋼纖維混凝土物理力學(xué)性能以及界面的影響，為納米技術(shù)在混凝土方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 原材料

1)水泥:采用由河北省鹿泉市曲寨水泥有限公司生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。

2)鋼纖維:采用螺旋形狀的鋼纖維，其長(zhǎng)度為32 mm，直徑為 0.5 mm，長(zhǎng)徑比是 64，抗拉強(qiáng)度≥380 MPa。

3)納米碳酸鈣。采用由河北華博·博達(dá)(集團(tuán))公司生產(chǎn)的納米 CaCO3，其比表面積大于 18 m2/g，CaCO3含量大于98%(本文納米 CaCO3簡(jiǎn)稱(chēng)為 NC)，NC的粒徑為100 nm左右。

4)細(xì)骨料:采用由石家莊市正定生產(chǎn)的中砂，表觀密度為2.61 g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.55。

5)粗骨料:采用河北省鹿泉市碎石廠生產(chǎn)的5～20 mm的碎石，表觀密度為2.71 g/cm3。

6)減水劑:采用由天津冶建特種材料有限公司生產(chǎn)的JH-H聚羧酸系高效減水劑，減水率在30%左右。

1.2 鋼纖維混凝土的配合比

納米碳酸鈣的摻量分別按水泥質(zhì)量的0，1.0%，1.5%，2.0%和2.5%加入?；炷恋脑O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，鋼纖維的摻量均為混凝土體積的3%，即為117 kg/m3，減水劑摻量均為4.257 kg/m3，試驗(yàn)編號(hào)為H、I、J、K、L，其具體的配合比見(jiàn)表 1。

表1 1 m3混凝土材料用量 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

為增加納米碳酸鈣的分散性，先將納米碳酸鈣與減水劑進(jìn)行混合后放置50 min。采用強(qiáng)制攪拌機(jī)并采用濕拌工藝進(jìn)行攪拌，即先將粗骨料、細(xì)骨料、水泥進(jìn)行干拌2 min，同時(shí)加入水和納米碳酸鈣與減水劑的混合液，在濕拌的同時(shí)加入鋼纖維，再進(jìn)行攪拌2 min。攪拌完畢，立即測(cè)試混凝土坍落度，然后澆灌入模?？箟涸嚰叽鐬?00 mm×100 mm×100 mm，每組成型3個(gè)試件，每個(gè)配比共成型3組試件;抗折試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每個(gè)配比共成型2組試件，每組成型3個(gè)試件。劈裂抗拉強(qiáng)度試件的尺寸采用邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試件。

在振動(dòng)臺(tái)上成型，振動(dòng)時(shí)間為2 min。在溫度為(20±5)℃的環(huán)境中靜置一晝夜后拆模，然后移入養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期后測(cè)試其抗壓和抗折強(qiáng)度。

混凝土坍落度試驗(yàn)按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法規(guī)定》進(jìn)行，強(qiáng)度測(cè)試按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

采用德國(guó)BRUKER廠家生產(chǎn)的D8-ADVANCE型號(hào)儀器，使用射線 CuKa，λ=1.540 65 nm，管電流50 mA，掃描速度為0.06°/s，加速電壓40 kV，掃描角度為0～80℃，對(duì)水泥水化產(chǎn)物成分進(jìn)行檢測(cè)。采用EJOLSJM-6380VL型SEM分析儀對(duì)水泥石試樣進(jìn)行微觀形貌觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 納米碳酸鈣對(duì)鋼纖維混凝土和易性的影響

表2為不同摻量納米碳酸鈣的鋼纖維混凝土和易性的試驗(yàn)結(jié)果。

表2 鋼纖維混凝土和易性試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出:當(dāng) NC摻量由 0.5%增加到1.0%時(shí)，坍落度略有提高，當(dāng)NC摻量由1.5%增加到2.0%時(shí)，坍落度大幅度提高，且達(dá)到184 mm的最大值，同時(shí)拌合物的黏聚性也隨之增加。再增加NC的摻量，坍落度開(kāi)始下降，黏聚性仍然增大，這可能是拌合物中固體顆粒的比表面積增大，需要吸附更多的自由水，引起混凝土坍落度下降。

2.2 納米碳酸鈣對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)性能的影響

2.2.1 抗折和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1和圖2分別為納米碳酸鈣摻量對(duì)鋼纖維混凝土抗折和抗壓強(qiáng)度影響的曲線圖。由圖1和圖2可以看出，混凝土3 d、7 d和28 d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都隨NC摻量的增加而提高，但當(dāng) NC摻量為2.0%時(shí)，各齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度均達(dá)到最高值，再增加NC的摻量，各強(qiáng)度開(kāi)始出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。因此可以說(shuō)明，納米碳酸鈣在鋼纖維混凝土中的最佳摻量為水泥質(zhì)量的2.0%。

圖1 NC摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

圖2 NC摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步考察納米碳酸鈣對(duì)鋼纖維混凝土抗拉和韌性的影響，又分別制備三組C40混凝土試件。第一組為不摻納米碳酸鈣和鋼纖維的混凝土，編號(hào)為C0;第二組為只摻加1.5%鋼纖維的混凝土，編號(hào)為C1;第三組為摻加2%納米碳酸鈣和1.5%鋼纖維的混凝土，編號(hào)為C3。混凝土其他各種材料用量同表1。

圖3為三種混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度的對(duì)比結(jié)果圖。由圖3看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，各組混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度都有所提高。相同齡期下，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度由小到大的順序是:C0＜C1＜C2。說(shuō)明摻加1.5%的鋼纖維后，混凝土的抗裂性能以及韌性大大提高，而同時(shí)摻加2%的納米碳酸鈣和1.5%的鋼纖維的復(fù)合混凝土，其韌性進(jìn)一步得到提高。

2.3 XRD和SEM結(jié)果

圖4摻2%NC 3 d水化產(chǎn)物的 XRD衍射圖譜。圖中AFt表示水化產(chǎn)物鈣礬石，CH表示水化產(chǎn)物氫氧化鈣，C3S表示未水化的硅酸三鈣。與一般水泥水化物的圖譜相比，表明NC對(duì)水泥水化產(chǎn)生了影響，增加了水泥石中水化產(chǎn)物的數(shù)量。

圖3 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度對(duì)比

圖4 摻入2%NC水泥凈漿試樣的XRD圖譜

利用掃描電鏡對(duì)28 d水化試樣的斷面進(jìn)行觀察，圖5和圖6分別為未摻和摻加2%NC樣品相應(yīng)齡期的SEM圖片。可見(jiàn)，摻加2%NC的水泥石致密性明顯高于不摻NC的水泥石。

圖5 未摻NC的水泥石

3 機(jī)理探討

圖6 摻加NC的水泥石

納米碳酸鈣因?yàn)槠淞Ｗ拥某叽缭?00 nm以?xún)?nèi)，因此可引起表面原子數(shù)、表面積和表面能迅速增加［3-5］，因而其化學(xué)活性和催化活性等與普通粒子相比都發(fā)生了很大變化。正是由于納米碳酸鈣微粒具有高表面活性，導(dǎo)致NC顆粒與水泥水化產(chǎn)物大量鍵合，并以NC為微晶核，在其顆粒表面形成更多的 C-S-H凝膠相。這樣在水泥硬化漿體原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又建立了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，它是以NC為網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)，并鍵合成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，改善了水泥石的微觀及亞微觀結(jié)構(gòu)。因此大大地提高了水泥硬化漿體的密實(shí)度和強(qiáng)度，進(jìn)而改善了鋼纖維混凝土的韌性。

4 結(jié)論

1)適量的納米碳酸鈣不僅能改善鋼纖維混凝土的和易性，而且提高混凝土各個(gè)齡期的抗折和抗壓強(qiáng)度。在摻有1.5%體積摻量的螺旋狀的鋼纖維混凝土中，納米碳酸鈣的最佳摻量為水泥質(zhì)量的2.0%。

2)XRD和SEM微觀分析表明，納米碳酸鈣增強(qiáng)鋼纖維混凝土強(qiáng)度和韌性的機(jī)理是由于納米碳酸鈣的摻入能加速水泥的水化，改善水泥石的界面結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了鋼纖維與水泥基體面的界面層，從而使水泥混凝土的抗裂性和增韌性要比單摻納米碳酸鈣或鋼纖維時(shí)的效果要好。

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