納米碳酸鈣對鋼纖維混凝土物理力學性能的影響

楊 杉，籍鳳秋

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

鋼纖維混凝土是目前作為工程結構材料用途最廣，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度、彎拉強度、抗剪強度均有提高，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，而具備了小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應和表面效應等特有效應［1-2］。納米材料的如上特有效應，在與混凝土中水泥結合水化的過程中，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能力。將納米材料和纖維材料結合起來摻入到普通混凝土中組成復合材料，充分發揮每種材料各自的特點，制備出韌性高、抗裂性能好的混凝土，具有很重要的現實意義。

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

1 試驗過程

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的42.5級普通硅酸鹽水泥。

2)鋼纖維:采用螺旋形狀的鋼纖維，其長度為32 mm，直徑為 0.5 mm，長徑比是 64，抗拉強度≥380 MPa。

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

4)細骨料:采用由石家莊市正定生產的中砂，表觀密度為2.61 g/cm3，細度模數為2.55。

5)粗骨料:采用河北省鹿泉市碎石廠生產的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量的0，1.0%，1.5%，2.0%和2.5%加入。混凝土的設計強度等級為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，試驗編號為H、I、J、K、L，其具體的配合比見表 1。

表1 1 m3混凝土材料用量 kg/m3

1.3 試驗方法

為增加納米碳酸鈣的分散性，先將納米碳酸鈣與減水劑進行混合后放置50 min。采用強制攪拌機并采用濕拌工藝進行攪拌，即先將粗骨料、細骨料、水泥進行干拌2 min，同時加入水和納米碳酸鈣與減水劑的混合液，在濕拌的同時加入鋼纖維，再進行攪拌2 min。攪拌完畢，立即測試混凝土坍落度，然后澆灌入模。抗壓試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組成型3個試件，每個配比共成型3組試件;抗折試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每個配比共成型2組試件，每組成型3個試件。劈裂抗拉強度試件的尺寸采用邊長為100 mm的立方體試件。

在振動臺上成型，振動時間為2 min。在溫度為(20±5)℃的環境中靜置一晝夜后拆模，然后移入養護室中進行標準養護，養護至相應齡期后測試其抗壓和抗折強度。

混凝土坍落度試驗按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法規定》進行，強度測試按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。

采用德國BRUKER廠家生產的D8-ADVANCE型號儀器，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℃，對水泥水化產物成分進行檢測。采用EJOLSJM-6380VL型SEM分析儀對水泥石試樣進行微觀形貌觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 納米碳酸鈣對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結果。

表2 鋼纖維混凝土和易性試驗結果

由表2可以看出:當 NC摻量由 0.5%增加到1.0%時，坍落度略有提高，當NC摻量由1.5%增加到2.0%時，坍落度大幅度提高，且達到184 mm的最大值，同時拌合物的黏聚性也隨之增加。再增加NC的摻量，坍落度開始下降，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 納米碳酸鈣對鋼纖維混凝土力學性能的影響

2.2.1 抗折和抗壓強度試驗結果

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

圖1 NC摻量對混凝土抗折強度的影響

圖2 NC摻量對混凝土抗壓強度的影響

2.2.2 劈裂抗拉強度試驗結果

為進一步考察納米碳酸鈣對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，編號為C0;第二組為只摻加1.5%鋼纖維的混凝土，編號為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度的對比結果圖。由圖3看出，隨著養護齡期的增加，各組混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度都有所提高。相同齡期下，抗壓強度和劈裂抗拉強度由小到大的順序是:C0＜C1＜C2。說明摻加1.5%的鋼纖維后，混凝土的抗裂性能以及韌性大大提高，而同時摻加2%的納米碳酸鈣和1.5%的鋼纖維的復合混凝土，其韌性進一步得到提高。

2.3 XRD和SEM結果

圖4摻2%NC 3 d水化產物的 XRD衍射圖譜。圖中AFt表示水化產物鈣礬石，CH表示水化產物氫氧化鈣，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對水泥水化產生了影響，增加了水泥石中水化產物的數量。

圖3 混凝土劈裂抗拉強度對比

圖4 摻入2%NC水泥凈漿試樣的XRD圖譜

利用掃描電鏡對28 d水化試樣的斷面進行觀察，圖5和圖6分別為未摻和摻加2%NC樣品相應齡期的SEM圖片。可見，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 機理探討

圖6 摻加NC的水泥石

納米碳酸鈣因為其粒子的尺寸在100 nm以內，因此可引起表面原子數、表面積和表面能迅速增加［3-5］，因而其化學活性和催化活性等與普通粒子相比都發生了很大變化。正是由于納米碳酸鈣微粒具有高表面活性，導致NC顆粒與水泥水化產物大量鍵合，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絡結構的基礎上又建立了一個新的網絡，它是以NC為網絡的結點，并鍵合成三維網絡結構，改善了水泥石的微觀及亞微觀結構。因此大大地提高了水泥硬化漿體的密實度和強度，進而改善了鋼纖維混凝土的韌性。

4 結論

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齡期的抗折和抗壓強度。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量的2.0%。

2)XRD和SEM微觀分析表明，納米碳酸鈣增強鋼纖維混凝土強度和韌性的機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構，強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的效果要好。

［1］白春禮.納米科技及其發展前景［J］.國防科技工業，2001(4):57-60.

［2］汪信，陸路德.納米金屬氧化物的制備及應用研究的若干進展［J］.無機化學學報，2000(2):213-217

［3］姜魯華，杜芳林，張志焜，等.納米碳酸鈣的制備及應用進展［J］.中國粉體技術，2002，8(1):28-32.

［4］LI HUI，XIAO HUI-GANG，YUAN JIE，et al.Microstructure of cementmortarwith nano-particles［J］.CompositesPartB:Engineering，2004，35(2):185-189.

［5］王志亮，楊文敬，吳立朋.超短鋼纖維混凝土壓剪破壞機理研究［J］.2011(4):145-148.