王占魁 孫 磊 魏國慶
(1.濰坊市白浪河水庫運(yùn)營維護(hù)中心,山東 濰坊 261052;2.濟(jì)南黃河路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250013;3.青島市公路事業(yè)發(fā)展中心,山東 青島 266071)
隨著建筑業(yè)的更新發(fā)展,人們不斷開發(fā)具有高力學(xué)性能、自潔性能、耐火性和3D打印性等特性的新型混凝土,其中超高性能混凝土(UHPC)和超高韌性水泥基復(fù)合材料(UHTCC)等高性能混凝土的研發(fā)滿足了在特定環(huán)境中的應(yīng)用,其中以纖維和納米材料在改性水泥基材料方面取得的成果尤為顯著。
纖維材料的摻入能夠阻止微裂縫發(fā)展,抑制早期干縮微裂紋的發(fā)展,增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B、抗裂、抗拉和延性性能,從而改善混凝土的力學(xué)性能[1]。納米材料是指顆粒尺寸在1~100nm的超細(xì)顆粒,因其具有顆粒尺寸小、比表面積大和極高的表面能,使得納米材料具有許多不同于其他材料的特殊性質(zhì)[2-3]。近年來,將纖維和納米材料用于水泥基材料的增強(qiáng)改性,制備納米材料改性水泥基復(fù)合材料得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。納米材料改性水泥基復(fù)合材料主要是利用納米技術(shù)或納米材料抑制膠凝復(fù)合材料中納米級(jí)裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展,從而提高結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性[4]。目前,根據(jù)幾何形態(tài)可將納米材料分為0D、1D和2D材料[5-6],研究表明,添加納米材料可以增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能,改善收縮性、耐久性和耐火性等性能[7-8]。
本文總結(jié)了纖維和納米材料在增強(qiáng)水泥基材料方面的最新研究進(jìn)展,介紹了水泥基材料中纖維和納米材料的基本性能和應(yīng)用現(xiàn)狀,闡述了各種纖維和納米材料對于水泥復(fù)合材料的影響與作用機(jī)理,在此基礎(chǔ)上,對纖維和納米材料增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的研究方向進(jìn)行了展望。
目前研究較多的有鋼纖維、碳纖維、耐堿玻璃纖維、聚丙烯纖維、礦物纖維和植物纖維等纖維材料,其性能參數(shù)見表1。
鋼纖維是改性水泥基復(fù)合材料中應(yīng)用最為廣泛的增強(qiáng)材料,加入鋼纖維可以提高混凝土的任性抗拉性能、韌性和耐久性,延長混凝土的使用壽命。但由于鋼纖維生產(chǎn)過程中需要排放大量CO2,容易產(chǎn)生環(huán)境污染問題。因此,針對再生鋼纖維增強(qiáng)混凝土的相關(guān)性能進(jìn)行了深入研究[9]。
碳纖維是目前用于增強(qiáng)水泥復(fù)合材料性能最常見的合成纖維,具有極高的強(qiáng)度和模量、良好的耐腐蝕性、低密度、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和高導(dǎo)電性。其抗拉強(qiáng)度可高達(dá)7GPa,模量高達(dá)900GPa,使其特別適合于混凝土結(jié)構(gòu)的加固[10]。然而,由于制造過程中的高溫碳化/石墨化步驟,碳纖維表面極易出現(xiàn)疏油性、過度光滑和吸附性少等問題,需要通過濕法化學(xué)改性、干法改性和多尺度改性[11]進(jìn)行表面處理。玻璃纖維種類多樣,大量用于改性水泥基復(fù)合材料。其中耐堿玻璃纖維含15%~20%的鋯,由于氧化鋯在堿性溶液中具有出色的穩(wěn)定性,使玻璃纖維具有良好的耐堿性,適合用于特殊環(huán)境[12]。
聚合物纖維和礦物纖維因其成本效益和優(yōu)異的力學(xué)性能也常用于水泥復(fù)合材料的增強(qiáng)。聚合物纖維具有高強(qiáng)度、高彈性以及優(yōu)異的耐磨性和耐化學(xué)性,用作高強(qiáng)混凝土的增強(qiáng)材料。常用的聚合物纖維包括聚丙烯纖維(PP)、聚乙烯纖維(PE)、聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維(PET)和聚乙烯醇纖維(PVA)。常用的礦物纖維有玄武巖纖維、礦渣纖維、石棉纖維等,其中玄武巖纖維具有性價(jià)比高、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、抗裂性能好等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的新型礦物纖維[13-14]。植物纖維因具有由葡萄糖組成的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),內(nèi)部產(chǎn)生大量的氫鍵保證了其具有高抗拉強(qiáng)度和韌性,其中黃麻、亞麻和劍麻纖維等在強(qiáng)度和彈性模量上滿足材料的要求,因此被用于改善水泥基材料的力學(xué)性能[15]。
納米材料在增強(qiáng)水泥基材料性能中廣泛應(yīng)用,能有效提高水泥基材料的使用效率,改善水泥材料的工作效能。目前用于增強(qiáng)水泥基材料的納米材料主要有納米SiO2(NS)、納米Fe2O3、納米Fe3O4(NF)、納米TiO2(NT)、納米Al2O3(NA)、納米黏土(NC)、碳納米纖維(CNFs)、碳納米管(CNTs)和氧化石墨烯(GO)等,圖1為常用納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和形貌。

圖1 常用納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和形貌[23]
納米顆粒是具有自身特性的一維納米材料,其作用機(jī)理表現(xiàn)在納米填充效應(yīng)、化學(xué)活性、晶核作用和優(yōu)化界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)等方面,一方面能夠加快水泥水化過程,提高水泥基材料的水化速率;另一方面填充內(nèi)部結(jié)構(gòu)的毛細(xì)孔,改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)[24-25]。納米SiO2具有粒徑小、表面能高的特點(diǎn),表現(xiàn)出比普通硅灰更高的火山灰活性,是水泥復(fù)合材料改性中最常用的納米材料[26-27]。納米Fe2O3、Fe3O4也是用于增強(qiáng)水泥復(fù)合材料力學(xué)性能的典型納米顆粒,通常選用工業(yè)綠礬、綠鐵或硝酸鐵制備原料。納米TiO2因光催化作用特性被稱為水泥復(fù)合材料的自清潔添加劑,通過添加納米TiO2可使建筑材料具備一定的自動(dòng)清潔特性[28],同時(shí)使水泥基材料還有一定的電磁能力和吸波性能[29]。納米Al2O3因是活性顆粒,在最佳摻量1%時(shí)能夠最大限度地促進(jìn)水泥水化反應(yīng),提高混凝土強(qiáng)度[30-31]。納米黏土是膨潤土、高嶺石等層狀礦物硅酸鹽的總稱[32],利用黏土礦物的離子交換特性和層間距離的可擴(kuò)展性形成黏土薄片,通過填充水泥孔隙,改善力學(xué)性能。
碳納米纖維(CNFs)和碳納米管(CNTs)是典型的一維納米材料。CNFs是一種非連續(xù)的納米級(jí)尺寸石墨纖維,可以通過橋接水化產(chǎn)物中的納米級(jí)裂縫,抑制水泥凈漿的自收縮和干燥收縮,延緩水泥砂漿的開裂時(shí)間,從而降低微裂縫的發(fā)展[33-34]。CNTs是一種近似由石墨片層繞中心軸旋轉(zhuǎn)彎曲形成的單層或多層管狀物,具有較好的彈性、極高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性及超導(dǎo)性能[35]。相較于零維納米顆粒,一維納米材料的長徑比更大、強(qiáng)度更高,作為增強(qiáng)材料橋接裂縫的能力也更強(qiáng)[36-37]。
氧化石墨烯(GO)是一種層狀結(jié)構(gòu)獨(dú)特的二維納米材料,具有良好的高活性官能團(tuán),機(jī)械和熱工性能優(yōu)異[38]。GO與石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相似,含氧官能團(tuán)能參與化學(xué)或物理相互作用,為連接其他官能團(tuán)和有機(jī)分子提供了大量的活性位點(diǎn),賦予材料一定的化學(xué)活性[39]。與零維和一維納米材料相比,GO有更大的表面積和力學(xué)性能。因此GO添加在硅酸鹽水泥、堿礦渣水泥和磷酸鎂水泥等各種膠凝材料中,能改善水泥基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及宏觀性能[40]。常見納米材料物理性質(zhì)見表2。

表2 常見納米材料物理性質(zhì)[41-46]
添加纖維能夠改善水泥基復(fù)合材料包括延展性、斷裂韌性以及耗能性能在內(nèi)的力學(xué)性能,通過研究纖維的類型、含量、形狀、分布和取向分布,確定各種要素下纖維混凝土的改性效果。其中鋼纖維一直被認(rèn)為是提高水泥基材料力學(xué)性能的最佳輔助材料。
A.Alavi Nia等[47]研究發(fā)現(xiàn),在水泥復(fù)合材料中添加1%的鋼纖維,混凝土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高30%~62%和8%~10%,鋼纖維的使用還提高了材料的抗沖切性能。Xiao等[48]的試驗(yàn)結(jié)果表明,添加鋼纖維增強(qiáng)了天然骨料混凝土和再生骨料混凝土的延性、變形和能耗,體積比為0.5%~1.0%的鋼纖維能提高抗沖切能力7%~15%。Yuan等[49]發(fā)現(xiàn)通過添加PP纖維可以提高混凝土抗壓強(qiáng)度,進(jìn)而降低混凝土的收縮率和滲透性能。Kazmi等[50]通過研究PP纖維改性再生混凝土軸向應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,發(fā)現(xiàn)相較于未改性混凝土,PP纖維改性混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出更高的延性、峰值應(yīng)力和能量耗散能力。摻入鋼纖維比摻入聚丙烯纖維更能有效提高抗沖擊性。李京軍等[51]通過研究摻橡膠顆粒的玄武巖纖維輕骨料混凝土的力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖纖維的輕骨料混凝土的力學(xué)性能明顯提高,摻量為0.2%體積率時(shí),混凝土抗折強(qiáng)度提升了45.0%,劈裂抗拉強(qiáng)度提升了46.0%[52],但玄武巖纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度的提高不明顯[53]。
研究發(fā)現(xiàn),纖維形狀直接影響混凝土的力學(xué)性能,通過對比直纖維、波紋纖維、鉤端纖維的增強(qiáng)效果,發(fā)現(xiàn)鉤端纖維黏合性能最好,直纖維黏合性能最弱,鉤端纖維的黏合性能是直纖維的3~7倍[54]。Park等[55]研究發(fā)現(xiàn),加捻纖維的增強(qiáng)效果比鉤端纖維和直纖維更明顯。Huang等[56]研究發(fā)現(xiàn)纖維長度和排列也對超高性能混凝土彎曲性能有積極作用,彎曲性能隨著纖維長度的增加而增加。鋼纖維摻量與混凝土力學(xué)性能的關(guān)系見圖2,水灰比對摻入PC、PP、St混凝土力學(xué)性能的影響見圖3。
研究發(fā)現(xiàn),植物纖維增強(qiáng)混凝土的起裂強(qiáng)度主要取決于其基體的強(qiáng)度,纖維起吸收能量的作用。徐蕾[57]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),相較于PP和GF,亞麻纖維能夠部分控制水泥砂漿的收縮開裂程度,0.3%的亞麻纖維便能減少99.5%的裂縫面積,降低98.5%的裂縫寬度。Gil等[58]研究了椰子纖維對混凝土力學(xué)和動(dòng)態(tài)性能的影響,發(fā)現(xiàn)椰子纖維在所測試的全部植物纖維中具有最高的韌性性能,摻入椰子纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了24%和11%。Cengiz等[59]的研究發(fā)現(xiàn)納米級(jí)植物纖維能有效提高混凝土材料的抗彎性能。何玉梅等[60]通過研究麻稈、麥稈、玉米稈和棉稈四種植物纖維增強(qiáng)混凝土,發(fā)現(xiàn)麻稈纖維增強(qiáng)混凝土抗壓、抗拉、抗彎強(qiáng)度的性能均優(yōu)于摻加另外三種纖維的改性混凝土,植物纖維在水泥用量的0.3~0.4倍時(shí)性能最優(yōu)。郭宜杭等[61]對植物纖維的微觀結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了總結(jié),對植物纖維增強(qiáng)混凝土的發(fā)展提出了參考意見。植物纖維改性混凝土的力學(xué)性能見圖4。

圖2 鋼纖維摻量與混凝土力學(xué)性能的關(guān)系[16]

圖3 水灰比對摻入PC、PP、St混凝土力學(xué)性能的影響[48]
摻入納米顆粒能有效改善水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能,提高混凝土的抗壓強(qiáng)度[62],而添加CNFs能有效提高材料的抗彎強(qiáng)度和韌性能力。Aydin[63]的研究表明,添加CNTs會(huì)提高混凝土耗散能量能力及延展性,當(dāng)CNTs摻量為0.08%時(shí),混凝土的彎曲韌性增加了21%。Konsta-Gdoutos等[64]研究發(fā)現(xiàn)添加CNT和CNF可以增強(qiáng)材料的抗彎強(qiáng)度,但抗壓強(qiáng)度提高不明顯,抗壓強(qiáng)度增加的大小取決于CNT和CNF的摻加量。NS是應(yīng)用最為廣泛的一種提高水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的納米材料[65]。Wang等[66]的研究表明,NS對水泥漿的物理力學(xué)性能和界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)具有改善作用,NS的應(yīng)用使水泥復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度提高了23.04%。Zapata等[67]的試驗(yàn)結(jié)果顯示,摻加NS可以使水泥復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度增加15%,而含有微硅石(MS)的水泥復(fù)合材料僅增加了1%。通過對微觀結(jié)構(gòu)的表征研究發(fā)現(xiàn),NS可以使水化產(chǎn)物致密化并充當(dāng)填料,而MS僅具有充當(dāng)填料的作用。Bigley等[68]研究發(fā)現(xiàn)NS能提高自密實(shí)混凝土的抗離析性。馬保國等[69]、李貝貝等[70]研究發(fā)現(xiàn),摻入NS能夠提高硫鋁酸鹽水泥砂漿的力學(xué)性能,顯著增強(qiáng)砂漿的抗壓、抗拉和抗折強(qiáng)度,見圖5。

圖4 植物纖維改性混凝土的力學(xué)性能[60-61]

圖5 納米SiO2改性水泥材料性能[69]
摻加NF、NT、NC通過填充內(nèi)部密實(shí)結(jié)構(gòu),能夠提高混凝土強(qiáng)度和耐久性能。董雙快等[71]研究發(fā)現(xiàn)NF能細(xì)化水泥基材料孔結(jié)構(gòu),因此摻加0.5%~4%的NF時(shí)提高了水泥基材料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。通過添加適量的NT能夠致密砂漿表面,改善水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu),提高了韌性、抗凍性和耐磨性[72-74],見圖6。針對超高韌性水泥基復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)通過添加適量的NC能起到填充和異質(zhì)形核效應(yīng),提高抗?jié)B性能[75]。
NA也常用于改善混凝土結(jié)構(gòu)[76]。Heikal等[77]研究表明,添加1%的NA使抗壓強(qiáng)度提高了27.22%,而Madandoust等[78]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)NS的含量增加到4%、NF增加到2%以及NC增加到3%時(shí),試件的抗壓強(qiáng)度都得到提高。吳福飛等[79]通過添加納米和微米NA研究了水泥基材料力學(xué)性能與耐久性,結(jié)果表明抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都在增長,干燥收縮降低。
一維碳納米材料(CNTs 和CNFs)增強(qiáng)水泥復(fù)合材料性能的效果最明顯[80]。Mohsen等[81]研究表明,添加0.25% CNTs的水泥漿體使抗彎強(qiáng)度提高了60%。對孔隙結(jié)構(gòu)的微觀研究表明[82],添加了CNTs的水泥漿具有較低的孔隙率和更均勻的孔徑分布。由于碳納米管的橋接效應(yīng),含碳納米管的水泥漿體具有更高的斷裂能和彎曲韌性,經(jīng)CNTs處理水泥漿的彎曲韌性指數(shù)可高達(dá)57.5%[83]。而CNFs能改善水泥凈漿的力學(xué)性能,抗壓和抗折強(qiáng)度隨CNFs摻量呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢[84]。

圖6 納米TiO2改性水泥材料性能[73]
吳磊等[85]研究了超低摻量GO對水泥基體的影響,結(jié)果表明摻入GO后水泥基體表現(xiàn)出了均勻分散的特征以及結(jié)構(gòu)的規(guī)整性;孫江蘭等[86]通過控制試驗(yàn)得到對抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大的GO摻量;李欣等[87]通過添加適量的GO研究混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和韌性,結(jié)果證明適量的GO能抑制裂縫的拓展,表現(xiàn)出良好的韌性。呂生華等[88]研究了GO對水泥基復(fù)合材料抗拉抗折強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)摻入0.01%、0.03%和0.05%的GO時(shí),水泥基體形成了規(guī)整有序的微觀結(jié)構(gòu)及宏觀結(jié)構(gòu),抗壓、抗折強(qiáng)度顯著提高,見圖7。

圖7 氧化石墨烯改性水泥基材料性能[88]
水泥基材料抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抗折、抗拉強(qiáng)度,變現(xiàn)出的高脆性及由此導(dǎo)致的裂縫和滲透等問題是影響混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的重要因素[89]。
摻加纖維對水泥復(fù)合材料力學(xué)性能的影響主要來自對裂紋發(fā)展的阻礙作用,纖維-水泥系統(tǒng)中的主要黏合機(jī)制是增強(qiáng)材料的物理化學(xué)黏合和摩擦作用[90]。這種類型的黏合機(jī)制是由水泥基體中界面過渡區(qū)的纖維表面粗糙度和特性共同決定的。由于大多數(shù)纖維并非完全惰性的,在水泥基體強(qiáng)堿條件中,玻璃纖維和玄武巖纖維也會(huì)在纖維-水泥交界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng),對纖維具有一定的增強(qiáng)作用[91],不同形狀的纖維和水泥基體之間的錨固性能得到了極大的改善[92],并且由于變形纖維之間的互鎖作用而產(chǎn)生了新的黏合體系。研究表明,黏合強(qiáng)度由纖維的幾何特征決定[93]。
納米材料因其對應(yīng)納米級(jí)尺寸、大比表面積和相應(yīng)的反應(yīng)活性,能有效地影響水泥基材料的力學(xué)性能。納米材料在水泥砂漿的體系中充當(dāng)填料,降低孔隙率并加強(qiáng)過渡區(qū)的結(jié)構(gòu);大多數(shù)納米材料充當(dāng)水合產(chǎn)物的核心,加速水化速度,并降低放熱率值;以納米材料為結(jié)晶中心,減小了Ca(OH)2晶體的尺寸,增大了C—S—H固體顆粒的尺寸,改變了水泥材料的微觀結(jié)構(gòu),提高了水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度。
碳納米管可以被包含在水化產(chǎn)物的內(nèi)部,并在微觀尺度上起到彌合裂縫的作用,提高了水泥復(fù)合材料的力學(xué)性能。相關(guān)研究[46]認(rèn)為CNTs和CNFs與水泥水化反應(yīng)沒有化學(xué)親和力,在含有CNTs的水泥復(fù)合材料中不會(huì)產(chǎn)生額外的水化產(chǎn)物。碳基材料被普遍認(rèn)為與水泥漿的離子化合物之間具有靜電相互作用,對于水化產(chǎn)物的生成具有積極作用。因此,碳納米管可以作為成核劑,改變反應(yīng)動(dòng)力學(xué)并促進(jìn)水合產(chǎn)物的生成,在水泥基材料水化的早期階段影響最為顯著。雖然碳納米管的添加對水化產(chǎn)物的種類沒有顯著影響,但碳納米管增加了C—S—H的聚合度,從而降低了氫氧化鈣晶體的取向指數(shù)。而Azeem等[94]和Tafesse等[95]則認(rèn)為純CNTs僅可作為微填料,無法加速水泥基復(fù)合材料的水化作用。摻入GO后使得水泥水化物的形狀、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)變得規(guī)整有序、均勻致密,達(dá)到了調(diào)控混凝土結(jié)構(gòu)的目的[88]。
本文綜述了纖維和納米材料增強(qiáng)水泥復(fù)合材料性能的最新研究進(jìn)展,著重介紹了纖維和納米材料在水泥基材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀,同時(shí)對于纖維和納米材料增強(qiáng)水泥復(fù)合材料的力學(xué)性能以及增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了歸納總結(jié)。已知纖維和納米材料能夠有效改善水泥復(fù)合材料的力學(xué)性能,為了推動(dòng)增強(qiáng)水泥復(fù)合材料在工程中應(yīng)用作進(jìn)一步的研究。
a.研究纖維的表面處理和分散方法。分散方法主要影響纖維的取向和分布,極大地影響增強(qiáng)效果。此外,由于水泥復(fù)合材料中的堿性環(huán)境,礦物纖維和植物纖維都需要進(jìn)行表面處理,以防止纖維與水泥基體之間發(fā)生反應(yīng),并進(jìn)一步增強(qiáng)二者之間的界面黏合力。因此,為了保證增強(qiáng)水泥復(fù)合材料性能的可靠性與穩(wěn)定性,應(yīng)開發(fā)面向大規(guī)模生產(chǎn)的纖維表面處理和分散方法。
b.NS由于其成熟的技術(shù)和成本,是目前納米改性水泥復(fù)合材料研究中最常用的納米顆粒。而CNTs和CNFs是具納米材料和纖維的一維納米材料,推廣二維納米材料的應(yīng)用是下一步的關(guān)鍵。
c.開展纖維-納米材料協(xié)同效應(yīng)機(jī)制的研究。利用納米材料和纖維材料制備高性能水泥復(fù)合材料是一種很有應(yīng)用前景的方法,目前對于兩者的協(xié)同效應(yīng)機(jī)制不明確,需要對這些協(xié)同效應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)研究,以便為纖維-納米材料提供配合比設(shè)計(jì)方法。
d.開發(fā)新的纖維及納米材料。水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)效果與二者性能密切相關(guān),應(yīng)繼續(xù)開發(fā)新的適用于水泥復(fù)合材料的新材料。