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 430000;2.石家庄铁道大学 材料科学与工程学院，石家庄 050043)

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［1-2］。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入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42.5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32 mm，直径为 0.5 mm，长径比是 64，抗拉强度≥380 MPa。

3)纳米碳酸钙。采用由河北华博·博达(集团)公司生产的纳米 CaCO3，其比表面积大于 18 m2/g，CaCO3含量大于98%(本文纳米 CaCO3简称为 NC)，NC的粒径为100 nm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2.61 g/cm3，细度模数为2.55。

5)粗骨料:采用河北省鹿泉市碎石厂生产的5～20 mm的碎石，表观密度为2.71 g/cm3。

6)减水剂:采用由天津冶建特种材料有限公司生产的JH-H聚羧酸系高效减水剂，减水率在30%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C40，钢纤维的掺量均为混凝土体积的3%，即为117 kg/m3，减水剂掺量均为4.257 kg/m3，试验编号为H、I、J、K、L，其具体的配合比见表 1。

表1 1 m3混凝土材料用量 kg/m3

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50 min。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 min，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 min。搅拌完毕，立即测试混凝土坍落度，然后浇灌入模。抗压试件尺寸为100 mm×100 mm×100 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100 mm×100 mm×400 mm，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100 mm的立方体试件。

在振动台上成型，振动时间为2 min。在温度为(20±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GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法规定》进行，强度测试按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

采用德国BRUKER厂家生产的D8-ADVANCE型号仪器，使用射线 CuKa，λ=1.540 65 nm，管电流50 mA，扫描速度为0.06°/s，加速电压40 kV，扫描角度为0～80℃，对水泥水化产物成分进行检测。采用EJOLSJM-6380VL型SEM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 NC掺量由 0.5%增加到1.0%时，坍落度略有提高，当NC掺量由1.5%增加到2.0%时，坍落度大幅度提高，且达到184 mm的最大值，同时拌合物的黏聚性也随之增加。再增加NC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28 d的抗折强度和抗压强度都随NC掺量的增加而提高，但当 NC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NC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 NC掺量对混凝土抗折强度的影响

图2 NC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C40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C0;第二组为只掺加1.5%钢纤维的混凝土，编号为C1;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C3。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:C0＜C1＜C2。说明掺加1.5%的钢纤维后，混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 XRD和SEM结果

图4掺2%NC 3 d水化产物的 XRD衍射图谱。图中AFt表示水化产物钙矾石，CH表示水化产物氢氧化钙，C3S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NC对水泥水化产生了影响，增加了水泥石中水化产物的数量。

图3 混凝土劈裂抗拉强度对比

图4 掺入2%NC水泥净浆试样的XRD图谱

利用扫描电镜对28 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%NC样品相应龄期的SEM图片。可见，掺加2%NC的水泥石致密性明显高于不掺NC的水泥石。

图5 未掺NC的水泥石

3 机理探讨

图6 掺加NC的水泥石

纳米碳酸钙因为其粒子的尺寸在100 nm以内，因此可引起表面原子数、表面积和表面能迅速增加［3-5］，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性，导致NC颗粒与水泥水化产物大量键合，并以NC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NC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2.0%。

2)XRD和SEM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入能加速水泥的水化，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。

［1］白春礼.纳米科技及其发展前景［J］.国防科技工业，2001(4):57-60.

［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，2000(2):213-217

［3］姜鲁华，杜芳林，张志焜，等.纳米碳酸钙的制备及应用进展［J］.中国粉体技术，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，杨文敬，吴立朋.超短钢纤维混凝土压剪破坏机理研究［J］.2011(4):145-148.