纳米碳酸钙对钢纤维混凝土物理力学性能的影响.pdf

2 0 1 1年第 8 期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i n g 1 3 3 文 章编号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 8 - 0 1 3 3 - 0 3 纳米碳 酸钙对钢 纤维混凝土物理力学性 能的影 响 杨杉 ， 籍凤秋 ( 1 武汉理工大学 材料科学 与工程学 院 ， 武汉4 3 0 0 0 0 ； 2 石家庄铁道大学 材料科学与工程学 院， 石家庄0 5 0 0 4 3 ) 摘要 ： 试验研 究 了不 同掺 量 纳米 C a C O 对钢 纤维 混凝 土物 理 力学性 能 的影响 ， 并采 用 X R D和 S E M 微观 手段对其改善机理进行 了分析。试验结果表 明， 适量的纳米碳酸钙可以改善钢纤维混凝土的和易性， 提 高混凝土各个龄期的抗折和抗压强度。在掺有 1 5 体积掺量 的螺旋状的钢纤维混凝土 中， 纳米碳 酸 钙 的最佳掺 量 为水 泥质量 的 2 。 关键词 ： 纳米碳酸钙钢纤维混凝土 力学性能韧性 中图分 类 号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标 识码 ： A 钢纤维混凝土是 目前作为工程结构材料用途最 广 ， 用量较大的一种纤维混凝土。与普通混凝土相 比， 钢纤维混凝土的抗拉强度 、 弯拉强度 、 抗剪强度均有提 高 ， 裂后变形性能明显改善。 纳米材料在混凝土中的应用前景也十分广阔。纳 米 材料 因具有 粒径 小 、 比表 面积 大 、 表 面能 高 以及表 面 原子 所 占 比例 大等 特点 ， 而具 备 了小尺 寸效 应 、 量子 尺 寸效 应 、 宏 观量 子 隧 道 效应 和表 面 效 应 等 特 有 效 应 。 。纳米材料 的如上特有效应 ， 在与混凝 土中水 泥结合水化的过程中 ， 能够改善 水泥硬化浆体的性能 以及水泥胶体与骨料的黏结能力。将纳米材料和纤维 材料结合起来掺人到普通混凝土 中组成复合材料 ， 充 分发挥每种材料各 自的特点 ， 制备 出韧性高 、 抗裂性能 好的混凝土， 具有很重要的现实意义。 本文采用对 比分析的方法 ， 探讨 了纳米碳酸钙对 钢纤维混凝土物理力学性能 以及界面的影 响， 为纳米 技术在混凝土方面的应用提供理论依据 。 1 试验过程 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 生产的4 2 5级普通硅酸盐水泥。 2 ) 钢纤维 ： 采用螺旋形状 的钢纤维 ， 其长度为 3 2 m m， 直 径 为 0 5 m m， 长 径 比 是 6 4 ， 抗 拉 强 度 3 8 0 MP a。 3 ) 纳米碳酸钙。采用由河北华博 博达( 集 团) 公 司生 产 的 纳米 C a C O ， 其 比表 面 积 大 于 1 8 i n g ， 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 2 - 1 4 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 1 0 4 0 6 作者简介 ： 杨杉( 1 9 8 9 ) ， 女 ， 河北 献县人 ， 硕 士研究生 。 C a C O ， 含量大于 9 8 ( 本文纳米 C a C O 简称为 N C) ， N C的粒 径为 1 0 0 n m左 右 。 4 ) 细骨料 ： 采 用由石家庄市正定生产 的中砂 ， 表 观密度为 2 6 1 g c m ， 细度模数为 2 5 5 。 5 ) 粗骨料 ： 采用河北省鹿 泉市碎石 厂生产 的 5 2 0 m m 的碎 石 ， 表 观 密度为 2 7 1 g c m 。 6 ) 减 水剂 ： 采 用 由天 津冶 建 特 种材 料 有 限 公 司生 产的 J H H聚羧酸系高效减水剂 ， 减水率在 3 0 左右 。 1 2 钢 纤维 混凝 土的 配合 比 纳米碳 酸钙 的掺 量分别按水泥质量 的 0 ， 1 0 ， 1 5 ， 2 0 和 2 5 加 入。混凝土 的设计强度 等级 为 C 4 0， 钢纤 维 的掺 量均为混凝 土体 积的 3 ， 即为 l 1 7 k g m ， 减水剂掺量均为 4 2 5 7 k g m ， 试验编号为 H、 I 、 J 、 K、 L ， 其具体的配合 比见表 1 。 表 1 1 n l 混凝土材料用量 k g m 。 1 3试 验方 法 为增加纳米碳酸钙的分散性 ， 先将 纳米碳酸钙与 减水剂进行混合后放置 5 0 ra i n 。采用强制搅拌机并采 用湿拌工艺进行搅拌 ， 即先将粗骨料 、 细骨料 、 水泥进 行干拌 2 m i n ， 同时加入水和纳米碳酸钙与减水剂的混 合液 ， 在湿拌 的同时加入钢纤维 ， 再进行搅拌 2 mi n 。 搅拌完毕 ， 立即测试混凝土坍落度 ， 然后浇灌人模。抗 1 3 4 铁道建筑 压试件尺寸为 1 0 0 mm1 0 0 m i l l 1 0 0 mm， 每组成型 3 个试件 ， 每个 配 比共 成型 3组试件 ； 抗 折试 件尺寸 为 1 0 0 m m1 0 0 m m4 0 0 m m， 每个配 比共成 型 2组试 件 ， 每组成型 3个试件。劈裂抗拉强度试件的尺寸采 用 边长 为 1 0 0 m m 的立方 体试件 。 在振动台上成型 ， 振 动时 间为 2 mi n 。在温度 为 ( 2 0 4 - 5 )的环境中静置一昼夜后拆模 ， 然后移入养 护室中进行标准养护 ， 养护至相应龄期后测试其抗压 和抗 折强度 。 混凝土坍落度试验按照 G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 ( 普通 混凝土拌合物性能试验方法规定 进行 ， 强度测试按 照 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法 标 准 进行 。 采用德 国 B R U K E R厂家 生产 的 D 8 A D V A N C E型 号仪器 ， 使用射线 C u K a ， A=1 5 4 0 6 5 n m， 管电流 5 O mA， 扫描速度为 0 0 6 。 s ， 加速电压4 0 k V， 扫描角度为 08 0 ， 对 水 泥 水 化 产 物 成 分 进 行 检 测。采 用 E J O L S J M 6 3 8 0 V L型 S E M分析仪对水泥石试样进行微 观形 貌观 察 。 2试验结果与分析 2 1 纳米碳 酸 钙对钢 纤 维混凝 土和 易性 的影 响 表 2为不 同掺量 纳米 碳酸 钙 的钢纤 维混凝 土 和易 性 的试验 结果 。 表 2钢纤维混凝土和易性试验结果 由表 2可 以 看 出 ： 当 N C 掺 量 由 0 5 增 加 到 1 0 时 ， 坍落度略有提高 ， 当 N C掺量由 1 5 增加到 2 0 时， 坍落度 大幅度提高 ， 且达到 1 8 4 mm的最大 值 ， 同时拌合物的黏聚性也随之增加。再增加 N C的 掺量， 坍落度开始下降， 黏聚性仍然增大 ， 这可能是拌 合物中固体颗粒的比表面积增大， 需要 吸附更多的 自 由水 ， 引起混凝土坍落度下降。 2 2 纳米碳 酸钙 对钢 纤维 混凝 土力 学性 能的影 响 2 2 1 抗折 和抗 压强度 试验 结 果 图 1和图 2分别为纳米碳酸钙掺量对钢纤维混凝 土抗折和抗压强度影响的曲线图。由图 1和图 2可以 看 出 ， 混 凝 土 3 d 、 7 d和 2 8 d的抗 折 强度 和 抗 压 强 度 都随 N C掺量 的增加而提高 ， 但 当 N C掺量 为 2 0 时， 各龄期的抗压 、 抗折强度均达到最高值 ， 再增加 N C 的掺量 ， 各强度开始出现降低的趋势。因此可以说明， 纳米碳酸钙在钢纤维混凝土中的最佳掺量为水泥质量 的 2 0 。 图 1 N C掺量对 混凝 土抗 折强度的影响 图 2 N C掺量对混凝土抗压强度的影响 2 2 2劈裂抗 拉 强度试 验 结果 为进一步考察纳米碳酸钙对钢纤维混凝土抗拉和 韧性的影响， 又分别制备三组 C 4 0混凝土试件 。第一 组为不掺纳米碳酸钙和钢纤维 的混凝土， 编号为 C 。 ； 第二组为只掺加 1 5 钢纤维的混凝土 ， 编号为 C ； 第 三组为掺加 2 纳米碳酸钙和 1 5 钢纤维的混凝土 ， 编号为 c 。混凝土其他各种材料用量同表 1 。 图 3为三种混凝土 的劈裂抗 拉强度 的对 比结 果 图。由图 3看出， 随着养护龄期的增加， 各组混凝土的 抗压强度和劈裂抗拉强度都有所提高。相 同龄期下， 抗压强度和劈裂抗拉强度由小 到大 的顺序 是： C 。 C C 。说明掺加 1 5 的钢纤维后 ， 昆 凝 土的抗裂性 能以及韧性 大大提高 ， 而 同时掺加 2 的纳米碳酸钙 和 1 5 的钢纤维的复合混凝 土， 其韧性进一步得到 提 高 。 2 3 XR D 和 S E M 结果 图 4掺 2 N C 3 d水化产 物的 X R D衍射 图谱。 图中 A F t 表示水化产物钙矾石 ， C H表示水化产物氢 氧化钙 ， c s表示未水化 的硅酸三钙。与一般水泥水 化物的图谱相 比， 表 明 N C对水泥水化产生了影响， 增 2 0 1 1 年第 8期 纳米碳酸钙对钢纤维混凝土物理力 学性 能的影响 l 3 5 趔 摇 姥 7 龄期， d 圈 素混凝土 钢纤维混凝土口 复合混凝土 图 3 混凝 土劈 裂抗 拉强度对 比 角度 ) 图 4 掺入 2 N C水泥净浆试样 的 X R D图谱 加 了水泥石 中水化产物的数量。 利用扫描电镜对 2 8 d水化试样的断面进行观察 ， 图 5和 图 6分别为未掺和掺加 2 N C样 品相应龄期 的 S E M 图片。可见 ， 掺加 2 N C的水泥石致 密性明 显高于不掺 N C的水泥石。 图 5 未掺 N C的水泥 石 3机理探讨 纳米碳酸钙 因为其粒子的尺寸在 1 0 0 n m以内， 因 此可引起表面原子数、 表面积和表面能迅速增加 ， 因而其化学活性和催化活性等与普通粒子相比都发生 了很大变化。正是 由于纳米碳酸钙微粒具有高表面活 图 6 掺加 N C的水泥石 性 ， 导致 N C颗粒 与水泥水化产物大量键合 ， 并 以 N C 为微晶核 ， 在其颗粒表 面形 成更多 的 C S - H凝胶 相。 这样在水泥硬化浆体原有网络结构的基础上又建立了 一 个新的网络， 它是以 N C为网络的结点， 并键合成三 维网络结构 ， 改善 了水泥石的微 观及亚微观结构 。因 此大大地提高了水泥硬化浆体的密实度和强度 ， 进而 改善了钢纤维混凝土的韧性 。 4 结 论 1 ) 适 量的纳米碳酸钙不仅 能改善 钢纤维混凝土 的和易性 ， 而且提高混凝 土各个龄期的抗 折和抗压强 度。在掺有 1 5 体积掺量的螺旋状 的钢纤维混凝土 中， 纳米碳酸钙的最佳掺量为水泥质量的 2 O 。 2 )X R D和 S E M微观分析表 明， 纳米碳酸钙增强 钢纤维混凝土强度和韧性的机理是由于纳米碳酸钙的 掺人能加速水泥的水化， 改善水泥石的界面结构， 强化 了钢纤维与水泥基体面的界面层 ， 从 而使水泥混凝土 的抗裂性和增韧性要 比单掺纳米碳酸钙或钢纤维时的 效果 要 好 。 参 考 文 献 1 白春礼 纳米科 技 及其 发展前 景 J 国防科技 工业 ， 2 0 0 1 ( 4) ： 5 7 6 0 2 汪信 ， 陆路德 纳米金属氧化物 的制备及应用研究 的若 干进 展 J 无机化学学报 ， 2 0 0 0 ( 2 ) ： 2 1 3 2 1 7 3 姜鲁华 ， 杜芳林 ， 张志妮 ， 等 纳米碳 酸钙 的制备及应用 进展 J 中国粉体技术 ， 2 0 0 2 ， 8 ( 1 ) ： 2 8 3 2 4 L I H U I ， X I A O H U I G A N G， Y U A N J I E， e t a 1 M i c r o s t r u e t u r e o f c e m e n t m o r t a r w i t h n a n o p a r t i c l e s J C o m p o s i t e s P a r t B ： E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 2 ) ： 1 8 5 1 8 9 5 王志亮 ， 杨 文敬 ， 吴立 朋 超 短钢纤 维混凝 土压剪破 坏机 理 研究 J 2 0 1 1 ( 4 ) ： 1 4 5 1 4 8 ( 责任审编孟庆伶)