微晶纤维素增韧混凝土的性能研究及机理分析.pdf

全国中文核心期刊 杆勉 建筑 微品纤维素增韧混凝土的性能研究及jIi几 理分新 唐文睿 ， 缪 昌文 ， 丁蓓 ( 1 江苏博特新材料有限公司， 江苏 南京2 1 0 0 0 8 ； 2 江苏省建筑科学研究院有 限公司， 苏 南京2 1 0 0 0 8 ) 摘要 ： 采用化学改性的方法制备了微纳米级微晶纤维素， 混凝十l陛能测试表明， 微纳米级微晶纤维索具有良好的工作性能、 能 提高混凝 土的抗压和抗折强度 ， 使混凝土断裂 能提高 5 0 ， 有效地增强混凝土韧性。用 S E M分析 _混凝土水化产物的微观形貌 ， 发 现微纳米级微 晶纤维素在混凝土 中的均匀分散 、 填充、 桥联作用是改善混凝 L ： 韧性 的原凶。 关键词 ： 微晶纤维素； 混凝土韧性： 断裂能 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 0 7 0 0 04 0 3 Pr o p e r t i e s s t u d y a n d me c h a n i s m a n a l y s i s o f c o n c r e t e r e i n f o r c e d b y mi c r o c r y s t a l l i n e c e l l u l o s e T ANG We n r l l i ， MI A0 Ch a n v en ， DI NG Be i ( 1 J i a n g s u B o t e N e w Ma t e r i a l s C o l ,t d ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 8 ， J i a n g s u ， C h i n a ： 2 J i a n g s u R e s e a r c h I n s t i t u t e o f B u i h t i n g S c i e n c e C o L t d ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 8 ， J i a n g s u ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Na n o c r y s t a l l i n e a n d s u b mi c r o c r y s t a l l i n e c e l l u l o s e we r e p r e p a r e d b y c h e mi c a l mo d i fi c a t i o n me t h o d T h e p e rfo r ma n c e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t s u c h c e l l u l o s e h a s g o o d o p e r a t i n g p e r f n r ma n c e ， c a n i mp r o v e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d fl e x u r a l s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e ， i n c r e a s e c o n e r e t e f r a c t u r e e n e r g y b y 5 0 ， a n d e f f i c i e n t l y e n h a n c e t h e c o n c r e t e t o u g h n e s s Ac c o r d i n g t o S EM a n a l y s i s ， we l l d i s t r i b u t i n g， f i l l i n g a n d b rid g i n g f u n c t i o n o f mi c x o c r y s t a l l i n e c e l l u lo s e i n c o n c r e t e wa s t h e ma i n r e a s o n i mp r o v i n g t h e t o u g h n e s s o f co ncr e t e Ke y wor d s： mi e r o e r y s t a l l i n e c e l l u l o s e ： c o n c r e t e t o u g h n e s s ： f r a c t u r e e n e r gy 0 前言 明 显的 提 高 。 随着现代建筑向大跨度、 高层化的发展， 对承重结构的混 凝土性能要求越来越高。然而， 在追求高强度的同时， 由十混 凝土脆性所导致的开裂破坏也越发突出，成了制约混凝土应 用的重要问题。 因此， 对混凝土韧性的研究也成为广受研究者 关注的领域f 。 当前， 主要借助2 种途径提高混凝土韧性： 掺加聚合物乳 液和添加纤维材料 。由于材料成本及与混凝土的材料属性 差异较大， 虽然达到了混凝土韧性的改善效果， 但损害了混凝 土的其它重要性能， 如工作性和强度等， 极大地限制了应用。 本文从微纳米层次的技术途径出发，借鉴刚性粒子增韧 机理， 使用微纳米级别的微晶纤维素， 通过特殊的改性工艺， 解决了 材料成本、 材料在混凝土中的分散和界面性能等难题， 同时在不损害混凝土其它性能的前提下，使混凝土的韧性有 基金项 目： 国家重 点基础研究发展规划 ( 9 7 3 ) 资助项 日 ( 2 O O 9 CB6 2 3 2 0 5 ) 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 2 3 0 作者简介 ： 唐文睿 ， 男， 1 9 8 3年生 ， 四川成都人 ， 硕士 ， 助理工程 师 要从事混凝土外加剂 的研究开发 。地址 ： 江苏省南 京市北 京酉路 l 2 号， 电话： 1 3 8 1 4 1 1 3 5 9 4 ， E m a i l ： w e n r u i ta n g g m a i l c o i n 。 4 新型建筑材料 2 0 1 0 7 1 实验 1 1 原材 料 微晶纤维素： 粒径5 5 m ， 江苏龙浩新材料有限公司产； 水泥：江南小野田水泥厂生产的5 2 5 级普通硅酸盐水泥； 粉 煤灰： 南京热电厂I 级粉煤灰； 细集料： 河砂， 最大粒径5 m m ， 连续级配， 细度模数 2 6 ， 表观密度2 6 1 g c m ， 堆积密度 1 5 l m ； 粗集料： 玄武岩碎石， 5 1 0 m il l 、 1 0 2 0 fi l m连续级配， 表 观密度2 8 4 g e ra 。 ， 堆积密度 1 5 3 g e m ， 压碎值3 3 ； 外加剂： J M P C A聚羧酸超塑化剂( P C A ) ， 江苏博特新材料有限公司产。 混凝土基准配合比为m( 水泥) ： m( 粉煤灰) ： m( 水) ：m( 石) ： m( 砂) = 3 5 0 ： 8 7 5 ： 1 2 2 5 ： 1 0 7 2 5 ： 7 2 0 ， 微晶纤维素按胶凝材料的 质量百分比外掺。 】 2 性能测试及方法 混凝土成型、 养护及抗压强度、 抗弯强度的测试按G B ， 1 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； 混凝 土坍落度、 含气量测试按 G B T 5 0 0 8 0 - - 2 0 0 2 普通混凝土拌 合物性能试验方法标准 进行； 通过混凝土最大水平载荷P I 与断裂韧度 来判定混凝土的韧性， 其测试按D Mr 5 3 3 2 2 0 0 5 工混凝土断裂试验规程 中楔入劈拉法进行， 其中混 凝土断裂能C ， 的计算参考徐世娘等5 1 提出的方法。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 唐文睿 ， 等： 微晶纤维素增韧混凝土的性能研究及机理分析 1 3 微观 形貌 分析 纳米微晶纤维素的粒径分布及测试采用德国S y m p a t e c 产 H e l o s S u c e l l 型湿法激光粒度分析仪，使用 N i k o n E c l i p s e 型2 0 0 倍光学显微镜进行表观分析。 采用扫描电子显微镜( S E M ) 分析微观形貌。 取2 8 d 的聚 合物改性混凝土断面薄片， 在无水乙醇中中止水化，并在6 O 下烘干， 然后在J S M 一 8 4 0 型扫描电镜下观察微观结构。 1 4 纳米微晶纤维素的合成 将5 0 0 g 微晶纤维素加入高压反应釜中，然后加入2 0 0 0 m l 去离子水， 1 6 0 o C 、 0 6 M P a 压力下搅拌反应4 h ，待冷却后 出料， 过滤， 用去离子水反复冲洗 3 遍， 6 0 烘干， 获得 微 米级微晶纤维素( A ) 4 6 7 5 g 。 采用南京仙欧生物科技有限公司产X O S M 5 0 型超声微 波组合反应器。将 1 0 0 g 微晶纤维素加入 1 0 0 0 m l 去离子水 中， 然后加入4 8 0 m l 浓硫酸、 1 6 0 m l 盐酸， 搅拌均匀后， 于超 声波中以1 0 0 0 W输出功率、 工作时问2 S 、 间隙时间2 S ， 振荡 8 h 。然后静置， 离心分离收集固体； 用去离子水反复冲洗， 直 至产物的p H值约为7 ， 离心分离， 6 0 烘干， 获得纳米级微 晶纤维素( B ) 6 1 4 。 将合成的微晶纤维素A和B按不同掺量加入混凝土中 进行测试， 并研究其粒径和对水化产物形貌的影响。 2 结果和讨论 2 1 微晶纤维素对混凝土新拌性能和强度的影响 在实验中， 固定用水量， 通过调整P C A掺量来控制坍落 度， 使用消泡剂使含气量也相同。微晶纤维素A和B对混凝 土的新拌性能以及抗压、 抗折强度的影响如表 1 所示。 表 1 混凝土新拌性能及强度 微 晶纤维微晶纤维P C A 坍落度抗压强度 MP a抗折强度 MP a 素种类 素掺量 掺量 c m 一7 i 丁 I d 基准0 0 8 9 2 1 0 5 3 0 7 7 3 5 9 4 6 7 1 A 03 O 91 21 4 5 3 8 78 - 2 5 3 3 6 9 9 A 0 5 O 8 8 21 O 5 95 8 39 54 6 7 0 6 B 03 0 8 4 21 8 5 1 3 8 1 4 5 5 0 6 8 9 B 05 O 9 5 21 2 5 62 8 33 5 7 0 6 9 6 由 表 1 _口 见， 经过改性后的微晶纤维素 A和B并没有对 混凝土的新拌性能造成不利影响，在减水剂掺量相差不多的 情况下， 具有相同水平的坍落度。微晶纤维素A和B都能提 高混凝土的2 8 d 抗压、 抗折强度， 与基准混凝土相比， 2 8 d 抗 压强度可提高5 1 0 ， 2 8 d 抗折强度可提高5 。 2 2 微晶纤维素对混凝土断裂性能的影响 混凝土的脆性破坏总是由宏观裂纹失稳扩展引起的， 仅 仅通过传统的抗折强度来表征韧性，只能表明混凝土对抵抗 最大破坏力的程度，而不能说明在材料发生破坏以后的这种 抵消过程，因而用断裂理论来研究脆性破坏是全面而且符合 工程实际的 。 根据D I F 5 3 3 2 -2 0 0 5 楔入劈拉法测试混凝土的断裂韧 度， 使用试件尺寸L x h x t = 2 0 0 m m x l 7 0 m m x l O 0 m m ， 相对裂缝 切口深度n 5的凹字形模具。裂缝由埋入 1 5 m m 厚的钢片 预制而成， 钢片端部磨成刀刃状。 试验在6 0 0 k N液压伺服试验 机上进行加载，荷载传感器型号为C D P - 1 0的拉压式传感器， 测 量范围为0 - -6 0 k N 。 根据文献f5 1 的方法计算断裂韧度K 。 和断裂能 G ， 结果如表2 所示， 混凝土的力一 变形载荷曲 线如图1 所示。 表 2 微 晶纤维素混凝土的 2 8 d断裂性能 项目 基准0 3 A 0 5 A 0 3 B 0 5 B P h Jk N 5 0 6 4 7 4 5 5 4 5 7 0 5 9 7 Kl( ( MP a X m) 1 2 7 1 2 9 1 3 9 1 4 3 1 5 0 G一( N m) 9 7 1 0 9 1 2 2 1 21 1 4 7 3 5 3_ O 2 5 2 0 至 杂 1 5 1 0 0 5 0 3 5 3 0 2 5 2 0 至 1 5 l _ O O 5 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 _ 4 变形 m ( a ) 0 O 2 0 4 0 6 0 8 l | 0 1 Z L 4 1 6 变形 m m ( b ) 图 1 2 8 d混凝土的力一 变形载荷曲线 根据表 2 的结果可知，掺加微晶纤维素A和B的混凝 土， 其断裂能都能明显提高。尤其当掺加0 5 的微晶纤维素 B时， 断裂能提高5 0 。经过高温蒸煮后的微晶纤维素A比 超声降解后的微晶纤维素 B具有相对较大的尺寸形态， 掺微 晶纤维素B的混凝土， 其断裂性能和力学强度稍优于A 。 结合图 1 可以看出，掺加了微晶纤维素 A和B的混凝 N E W BUI L DI NG M ATE RI A S 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 唐文睿， 等： 微晶纤维素增韧混凝土的性能研究及机理分析 土， 其力一 变形曲线的面积比基准混凝土更为丰满， 显示了良 好的增韧性能。此外，改性混凝土的断裂能在明显增加的同 时， 其抗折强度、 断裂最大力、 断裂韧度并没有随之相应的有 效改善。这是因为抗折强度、 断裂最大力、 断裂韧度表示的是 抵抗断裂变形的作用力， 仍然体现的是脆性破坏， 直接大幅度 提高很困 难，而且它们不能说明材料能否发生塑性破坏以 及 对脆性破坏能否产生抵消力， 因此用作表征韧性非常不全面。 2 - 3 作用机理分析 纤维素是D 一 葡萄糖以口 一 l ， 4 一 糖苷键组成的大分子多 醣， 由力学性能较佳的结晶区( 结晶度0 6 0 9 5 ) 及无定形区 域组成， 为了制得结晶度更高、 晶形更完善、 力学性能更佳的 材料， 通常通过使其链段降解、 无定形区域溶解的方法改性匍 。 由此制备的纤维素材料， 长度 1 0 1 0 0 n m 、 直径5 2 0 n m的为 纳米微晶纤维素； 而长度 1 0 0 9 0 0 n m 、 直径5 0 4 0 0 n m的为 亚微米微晶纤维素； 长度 1 8 0 m 、 直径 1 2 0 m呈球形或 棒状的为微晶纤维素9 1 。本研究就是以微晶纤维素为原料， 通 过剧烈的酸降解6 1 及蒸煮反应， 制备了纳米级微晶纤维素B 和亚微米级微晶纤维素A 。 通过激光粒度分析仪的测定， 其粒 径分别为8 4 n m 、9 6 0 r i m 。 2 0 0 倍光学显微镜显示其具有明显 的纤维状结构( 见图2 ) 。 图 2 亚微米级微 晶纤维素 A 微纳米级微晶纤维素具有极高的力学模量，微纳米级的 纤维状晶体可以有效的解决分散团聚的问 题，而这也正是其 不影响流动度的原因； 同时， 超高的力学模量使强度有了明显 的增加， 改善了性能。 图3 是基准混凝土与掺微晶纤维素B混凝土的S E M照 片， 两者对比可以发现， 掺入微晶纤维素 B 后， 在 C S H凝 胶间生成了许多针棒状晶体结构， 这表明微晶纤维素B在混 凝土中均匀分散， 实现了刚性粒子的填充和架桥功能。 通过将 不同C S H凝胶单元的相互桥接， 不但可以阻止微细裂纹的 发展，而且能阻止C S H凝胶层在受到剪切力时的相互滑 移， 从而抵抗变形， 最终有效的提高韧性。 6 新型建筑材料 2 0 1 0 7 一 ( a ) 基 准 混 凝 t 【 b ) j 爹徽 晶 纤 维 累B 棍 凝 土 图 3 基准混凝土和掺微晶纤维素 B混凝土的形貌 3 结论 ( 1 ) 通过高温蒸煮和超声降解的方法， 制备了微纳米级微 晶纤维素A和B ， 在合适的掺量下， 可以有效改善混凝土的 新拌性能及抗压、 抗弯等力学性能。 ( 2 ) 微晶纤维素材料的掺量在0 3 0 5 时， 混凝土的断 裂能提高 1 0 5 0 ， 有效增强了混凝土的韧性。 ( 3 ) S E M图像分析表明， 微晶纤维素均匀分散在混凝土 中， 通过填充和桥联的作用实现增韧。 参考文献 ： 1 E n g z h i S u n ， Q i n w u X u Mi c r o s c o p i c ，p h y s i c a l a n d me c h a n i c al a n a l y s i s o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e 册Ma t e r i als S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g ： A， 2 0 0 9， 1 5( 2 )： 1 9 8 - 2 0 4 2 吴中伟 纤维增强一 水泥基材料的未来【 J 】 混凝土与水泥制品， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 5- 6 3 】 Y o s h i h i k o n h a m a Re c e n t p r o g r e s s i n c o n c r e t e 呻dy a rn e r c o m p o s i t e s J I A d v a n c e d e e me n t b a s e d m a t e r i als ， l 9 9 7 ， 5( 2 ) ： 3 l 4 o 4 S o n g P S ， Hw a n g s Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f h i s h s t r e n g t h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 00 4， l 8( 9 )： 6 6 9 6 7 3 5 】 徐世煅， 赵艳华 ， 吴智敏， 等 楔入劈拉法研究混凝土断裂 能们 水 力发电学报， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 1 5 2 3 6 】 S t e p h a n i e B e c k C a n d ane d o ， Ma r e n R o ma n ， D e r e k G G r a y E ff e c t o f r e a c t i o n c o n d i t i o n s o n t h e p rop e rti e s and b e h a v i o r o f wo o d c e l l u l o s e n a n o e r y s t al s u s p e n s i o n s f J B i o ma c r o mo l e e u l e s ， 2 0 0 5 ， 6 ( 2 )： 1 O 4 8 1 0 5 4 7 王立久， 杨新 高性能混凝土增韧方法及其评价方法研究进展【 c y 高性能混凝土 的研 究与应用 第五 届全国高性能混凝土 学术 交 流会论文， 2 0 0 4 ： 7 0 7 7 8 】 侯永发 微晶纤维素 的研究与应用忉 林产化学与 工业 ， 1 9 9 3 ， 1 3 ( 2 ) ： 1 6 9 1 7 5 9 蒋玲玲， 陈小泉 纳米纤维素晶体的研究现状明纤维素科学与技 术， 2 0 0 8 ， 1 6 ( 2 ) ： 7 3 7 8 ： A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m