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水泥混凝土的纤维和纳米增韧技术研究进展

热度0票  浏览40次 时间:2019年1月29日 10:59
摘 要: 传统的水泥混凝土材料是典型的脆性材料,具有较低的抗拉强度和抗拉应变能力,其性质易受到裂缝性质的影响。为解决混凝土脆性开裂问题,常用的方法之一是向混凝土中添加纤维材料、纳米材料等。文章对混凝土中掺入传统和新型增韧材料的应用研究进行了评述,展望了水泥混凝土增韧技术的发展趋势,为未来的工程应用提供一定的研究基础。
  关键词: 纤维材料;纳米材料;增韧;混凝土水泥混凝土以其材料来源广泛、成本低廉、施工方便和耐久性好等特点而被大量使用,在建筑、交通等行业是最常见的建筑材料。现代土木工程的快速发展对新型高性能建筑材料提出了更高的要求,水泥混凝土作为用量最大的建筑材料之一,已逐渐向高强、高韧性、高耐久性和高体积稳定性方向发展,同时,混凝土的智能化也是其追求的发展方向。由于混凝土中加入纤维和纳米材料等不仅可以提高其强度和韧性等力学性能,同时还可改善抗渗、抗冻性等耐久性,从而满足现代建筑对混凝土性能的新要求。因此,纤维和纳米材料在混凝土中的应用成为了混凝土行业中的一个研究热点。
  1  传统纤维材料增韧技术
  纤维主要通过物理作用改善混凝土内部结构,并不改变混凝土中各种材料本身的化学性能,因而不会破坏混凝土的耐久性。常用的增强水泥基复合材料用纤维的抗拉强度、弹性模量和极限延伸率都远较素混凝土大。纤维掺入混凝土中不但可有效限制水泥基体中微裂缝的扩展,还可提高混凝土强度,改变荷载的传递方式,提高混凝土的抗冲击性能,稳定裂缝体系,提高混凝土的延性和抗拉强度,进而提高混凝土的韧性。
  钢纤维是最常见的纤维增韧混凝土材料,在高层建筑、大跨径桥梁和海上结构的施工发挥了重要作用,钢纤维能阻碍宏观裂纹扩展,防止微裂纹扩展,提高第一裂纹形成后延性和残余强度,改善脆性,提高韧性。钢纤维增韧混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。研究表明 :随着纤维掺量的增加,超高强混凝土韧性特征增加明显,与不掺纤维时相比,1.0% 体积掺量下混凝土的初始裂缝强度、抗折强度和韧性指数有显著提高,掺量过大时初始裂缝强度、抗折强度和韧性指数的增加不明显。
  聚合物纤维是另一种常用于制备高韧性混凝土的纤维材料,主要通过纤维的掺量 、弹性模量 、断裂强度等力学性能及纤维表面特性来影响混凝土的韧性。常用的聚合物纤维包括聚乙烯纤维增韧混凝土、聚丙烯纤维等。高强高模量聚乙烯纤维是一种被广泛研究应用的新型合成纤维增强增韧材料,黄政宇等人的研究表明,在混凝土中掺入 PE 纤维能显著改善其韧性,掺量为 2% 时,韧性指数会大幅提高 ;但随着 PE 纤维掺量的增加,混凝土流动性会明显降低,在相同掺量情况下,不同纤维长度对流动性影响较小。
  与钢纤维相比,聚丙烯纤维具有模量低、光密度小、单丝直径小等特点。低体积聚丙烯纤维以合理的成本改善了混凝土的收缩裂缝,提高其韧性。聚丙烯纤维显著提高了材料的延性、韧性指标、应力强度因子和断裂能,从而使韧性性能有了很大的提高,并且聚丙烯网纤维在提高混凝土的结构强度和韧性方面优于聚丙烯单丝纤维,不过聚丙烯很少提高混凝土的抗弯强度,反而会降低混凝土的抗压强度和抗剪强度。
  纤维是传统的水泥混凝土增韧材料,掺入混凝土增韧的同时也会带来一些问题。纤维材料不易均匀分散在混凝土里面,会导致工程效果不佳 ;纤维材料掺入混凝土中也会导致施工的工作性能下降等。
  2  新型纳米材料增韧技术
  纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料具有小尺寸效应、量子效应、表面和界面效应、宏观量子隧道效应等宏观物质所不具有的特殊效应,同时纳米材料具有高强度、高韧性,高比热、高热膨胀系数纳米材料,应用于混凝土,能够改善混凝土的耐久性及韧性等力学性能。
  随着纳米技术的快速发展,具有良好力学性能的纳米材料作为水泥基复合材料的强韧相愈来愈受到重视。粒径小于 100nm 的纳米颗粒掺入到混凝土中后,可以对混凝土中的微孔起到填充效应,有效减小混凝土中的有害孔(孔径大于100nm),改善孔隙率及孔隙结构,使混凝土的微观结构更加密实。且起到早期强度提高,基体韧性增强,耐久性显著提高的效果目前,用于混凝土增韧研究的纳米材料主要有纳米 SiO 2颗粒,CaCO 3 纳米颗粒、石墨烯,碳纳米纤维等。
  纳米 SiO 2 颗粒,因其极强的微集料填充效应、晶核作用和火山灰活性可以显著改善混凝土混凝土的耐久性和韧性,且混凝土的早期强度也得到大大提高。由于纳米 SiO 2 的表面能较高,在混凝土硬化的过程中,易与水泥石中的水化产物形成化合键,生产 C-S-H 凝胶,且纳米 SiO 2 一般为网状结构,可提高混凝土的力学性能和改善其脆性。纳米 SiO 2 能够激活混凝土中掺加的低活性状态的粉煤灰,Li G Y 证明了纳米 SiO 2 能够激活混凝土中掺加的低活性状态的粉煤灰,其研究表明,在混凝土中加入纳米 SiO 2 和粉煤灰后,纳米 SiO 2 会自动填补一些水泥颗粒和粉煤灰的空隙从而改变混凝土的孔的分布,从而使混凝土的早期强度显著地增强。
  纳米 CaCO 3 颗粒是一种惰性颗粒、活性低、具有价格优势的矿物微粉材料,相较于纳米 SiO 2 颗粒,其价格约只有纳米SiO 2 的十分之一。由于其微小的颗粒尺寸,纳米 CaCO 3 表面原子数、表面积、表面能都迅速增加,从而具有与普通粒子不同的特性,由于微集料效应、晶核效应、钉扎效应等的共同作用,对超高性能混凝土基体的力学性能有较大幅度的提高。且掺入钢纤维、玄武岩纤维、不锈钢微纤维等后,纳米碳酸钙对纤维超高性能混凝土的力学性能仍起到较大的优化作用,并能降低混凝土的脆性。
  碳纳米纤维在土木建材能改善水泥韧性和降低脆性等作用。杜向琴的研究表明在混凝土中掺加碳纳米纤维能增加其抗压强度和抗劈拉强度,改善混凝土的断裂韧度,碳纳米纤维在抗断裂方面要优于聚丙烯纤维增韧混凝土。
  新型纳米材料增韧技术在传统的纤维增韧技术上,保证了混凝土的工作性能,提高了其韧性、强度等力学性能。但由于纳米材料的成本较高,纳米颗粒之间容易团聚在一起,不易分散,也在一定程度上限制了其在工程中的应用。
  3  展望
  强度被作为混凝土的主要性能指标,但高强度并不代表其良好的力学性能,这就严重影响了混凝土的应用范围和工程效果。因此,随着材料科学与工程技术的不断发展,现代混凝土开始朝着高强度、高韧性、高阻裂、高耐久、高体积稳定性和优工作性的方向发展。纤维材料和纳米材料在一定程度上改善了混凝土的力学性能,但都在一定程度上存在相应的问题,相信在以后如果纤维材料的分散能得到解决、纳米材料的工艺成熟及成本降低时,将会带来一次建筑工程上的大进步。
  参考文献 :
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