文献精读

CemConcrCompos：用碳纳米管和石墨纳米片改善纤维排列UHPC的力学和微观结构性能

背景介绍

UHPC的抗压、抗折和抗拉强度高度依赖于对应于主要拉应力方向的纤维排列。这是由于纤维排列可以增加纤维嵌入的长度和在一个给定截面上的纤维数量。这可以提高纤维的裂缝桥接能力。一些研究指出，通过调整悬浮砂浆的流变性，优化样品的浇注方法，以及在浇注过程中使用电磁场，可以获得纤维取向的改善。然而，钢纤维在桥接纳米或微米尺度上形成的裂缝方面效果较差。鉴于碳纳米管（CNT）和石墨纳米片（GNP）的长度/直径或直径/厚度为的数量级，它们可以被看作是纳米纤维，可以使纳米或微尺度的裂缝弥合。

研究出发点

尽管CNT和GNP对UHPC的力学性能有显著改善，但CNT和GNP对UHPC的潜在增强机制，特别是CNT和GNP对纤维-基体界面微观结构演变的影响尚不完全清楚。纳米材料和钢纤维的组合使用可以导致对改善力学性能的多尺度增强效果。然而，尚未研究纳米材料和钢纤维排列对UHPC力学性能的协同效应。上面讨论的问题可能会限制CNT和GNP在UHPC中的广泛使用，并限制具有改善力学和微观结构性能的UHPC的发展。

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基于此，哈尔滨工业大学土木工程学院高小建课题组研究了碳纳米管（CNT）和石墨纳米片（GNP）对钢纤维排列UHPC微观结构和力学性能的影响。在制备弯曲试样时，使用流动诱导浇筑方法实现了主要的钢纤维排列。研究了由于使用CNT和GNP导致的纤维-基体界面和UHPC基体孔隙率的变化，以了解CNT和GNP对UHPC的潜在增强机制。还研究了纳米材料和纤维排列对提高UHPC力学性能的协同作用。相关论文以“FortheimprovementofmechanicalandmicrostructuralpropertiesofUHPCwithfiberalignmentusingcarbonnanotubeandgraphitenanoplatelet”为题，于年发表在《CementandConcreteComposites》上。

图文解析

（1）抗压强度

添加各种CNT和GNP含量的UHPC砂浆和纤维UHPC的28天抗压强度如图1所示。当纳米材料含量从0增加到0.3%，UHPC砂浆和纤维UHPC的抗压强度分别从MPa提高到MPa（增加20%）和MPa提高到MPa（增加15%）。除了成核效应之外，CNT和GNP还可以作为纳米纤维，在纳米尺度上桥接裂纹，从而导致UHPC的抗压强度更高。

图1添加不同CNT和GNP含量的UHPC砂浆和纤维UHPC的抗压强度

（2）纤维拉出性能

图2显示了含有各种CNT和GNP含量的样品的拉出载荷-挠度曲线。该图仅显示了三种典型纳米材料含量为0.1%，0.2%和0.3%的结果。纳米材料的添加导致更大的峰值拉出载荷。这是由于使用CNT和GNP导致的水泥水化增强，这可以增加基体的密度。这可以增强纤维和基体之间的化学粘附和摩擦滑动，从而增加峰值拔出载荷。

图2用各种（a）CNT和（b）GNP含量制备的样品的拉出行为

图3比较了用各种纳米材料含量制备的样品的粘结强度和拉出能量值。CNT和GNP含量的增加导致更大的粘结强度和拉拔能量。与没有任何纳米材料制备的参考样品相比，使用0.3%CNT或GNP可分别导致粘结强度和拉拔能量增加约2.5MPa（55%）和80MJ（50%）。

图3（a）含有各种纳米材料含量的样品的粘结强度和（b）拉拔能量的比较

（3）弯曲性能

用各种纳米材料含量和浇筑方法制成的样品的弯曲载荷-挠度曲线如图4所示。荷载-挠度曲线可以由弹性区，非线性上升区和非线性下降区表征。在弹性区域和非线性上升区域，承载能力随着挠度的增加而增强，后者的特征在于纤维在裂缝上的有效桥接。在非线性下降区，由于纤维从基体中拉出，承载能力随着挠度的增加而减小。重要的是要注意，所有曲线都显示出偏转硬化行为（非线性上升部分）。CNT和GNP含量的增加可以极大地改善偏转硬化行为，表明使用纳米材料具有更大的延展性。此外，由于裂缝的纤维桥接能力较大，流动诱导法相对于传统方法制备的样品的偏转硬化行为得到增强。

图4（a）CNT和常规浇筑方法（b）CNT和流动诱导浇筑方法（c）GNP和常规浇筑方法（d）GNP和流动诱导浇筑方法制备的样品的弯曲载荷-挠度曲线

（4）水化动力学

用各种纳米材料含量制备的混合物的热流和累积热量如图5所示。与没有任何纳米材料制备的相比，使用0.3%CNT和GNP导致峰值热流增加20%。此外，当纳米材料的使用量低于0.2%时，对应于峰值热流的时间提前。这是由于CNT和GNP的成核作用，可以为水泥水化提供沉淀位点。然而，CNT和GNP含量进一步增加至0.3%导致对应于峰值热流的时间延长。这可能是增加HRWR分子在水泥颗粒表面的吸收，从而延缓水泥颗粒的溶解。

图5不同纳米材料含量制备的混合物的（a）热流曲线和（b）累积热量曲线

（5）桥接效应

图6显示了用CNT和GNP制备的样品的微观结构，其中观察到纳米纤维桥接裂缝。一旦在基质中开始裂缝，纳米纤维可以立即桥接裂缝。通过使用更高的负载，纳米纤维最终从基质中拉出。纳米纤维对纳米或微米级裂缝的桥接效应可以显着提高UHPC的弯曲强度。这种桥接效应还可导致UHPC的耗散能量增加。

图×样品的微观结构显示（a）CNT和（b）GNP的裂纹桥接效应

（5）纤维-基质界面的孔隙率

图7（a）显示了参考样品的纤维-基质界面的典型BSE图像。黑点和曲线分别对应于孔隙和裂缝。可以使用适当的灰度值上限将孔和裂缝与BSE图像分离。灰度值低于上阈值的相被认为是孔隙和裂缝。

图7（b）显示了图7（a）的不同阶段的灰度值分布。图中的第一个和第二个峰分别对应于水化产物（主要是C–S–H）和未水化的水泥。上阈值通过切线斜率法确定。如图7（b）所示，上阈值确定为灰度值分布曲线的第一切线与水化产物峰的切线。然后在给定所选阈值的情况下用提取的孔和裂缝对BSE图像进行二值化，如图7（c）所示。

纤维-基体界面过渡区（ITZ）的宽度可以在50-60μm的量级。因此，在该研究中，使用包含纤维基质ITZ和UHPC基质的80μm（相对于纤维边缘）宽的圆形区域进行孔隙率分析。二值化的圆形区域被分成四个20μm宽的同心环，以研究孔隙率随纤维边缘距离增加的变化，如图7（c）所示。每个同心环的孔隙率可以确定为孔和裂缝面积与每个环的面积之比。

图7从BSE图像中提取孔隙和裂缝的阈值选择

图8显示了用各种纳米材料含量制备的样品相对于纤维边缘具有不同距离的同心环的孔隙率变化。报告的孔隙率结果是六个BES图像的平均值。无论纳米材料含量如何，孔隙率随着分析距离（相对于纤维边缘）从20μm增加到60μm而显着降低，特别是对于没有纳米材料的混合物。

这表明纤维基质ITZ（0-60μm区域）的孔隙率对所研究的相对于纤维边缘的距离高度敏感。当距离从60μm进一步增加到80μm时，孔隙率稳定。该区域（60-80μm）可以看作是UHPC基质。随着纳米材料含量的增加，纤维基体ITZ的孔隙率降低。对于没有任何纳米材料制备的样品，纤维基质ITZ的孔隙率范围为6%至12.5%。添加0.3%CNT和GNP使纤维基质ITZ的孔隙率分别降低至4%–6%和4.5%–7%。如前所述，纤维基体ITZ微观结构的这种细化可以改善纤维拉出性能。

图8用不同的(a)CNT和(b)GNP含量制备的样品孔隙率变化

总结

（1）CNT和GNP含量从0%增加到0.3%，导致UHPC的抗压强度，弯曲强度和T（耗散能量）分别增加15%，40%和50%。

（2）使用流动浇筑方法，纤维取向提高了30%。这导致抗弯强度和T分别提高30%和35%。

（3）相对于具有随机纤维取向的参考UHPC，纳米材料和流动诱导浇铸方法的组合使用分别导致弯曲强度和T的协同增强80%和90%。

（4）添加CNT和GNP可以增强水泥的水化作用，并能够在纳米或微米尺度上桥接裂缝，从而提高力学性能。

（5）CNT和GNP含量从0%增加到0.3%，纤维-基体界面和UHPC砂浆的孔隙率分别从6%-12.5%降低到4%-7%和5.5%降低到4%。

本期编者简介

翻译：

徐鹏硕士生深圳大学

审核：

程博远博士生深圳大学

排版：

于坷坷硕士生深圳大学

本期学术指导

何闯博士后深圳大学

龙武剑教授深圳大学

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