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文献精读 Cement Concrete Res. ：采用纳米纤维素控制超高性能混凝土(UHPC)的自收缩行为  背景介绍 超高性能混凝土（UHPC）以其卓越的力学性能和耐久性，为弹性混凝土基础设施构建提供了一种先进的解决方案。然而，自收缩行为是UHPC应用存在的一个主要缺陷问题，特别是在现浇工程中需引起重视。收缩引起的裂缝可能会对UHPC结构的强度和耐久性造成危害。目前，减少UHPC自收缩的方法（如使用饱和轻骨料，引入减缩外加剂，使用高吸水性聚合物，加入碳基纳米材料等）已被广泛应用。 研究出发点 现有的减缓UHPC收缩的技术(使用高吸水性聚合物、减缩外加剂、膨胀剂)由于会导致孔隙增加而对力学性能产生不利影响。另一方面，在使用疏水性碳基纳米纤维(尤其是纳米碳纤维和碳纳米管)时难以在亲水胶凝材料中分散。而纳米纤维素丝（CF）具有亲水性、吸湿性、高表明活性等显著特性，在提高混凝土的体积稳定性，特别是自收缩方面，具有很大潜力。 全文速览 加拿大舍布鲁克大学Ousmane A. Hisseine课题组提出一种使用纳米级纤维素丝（CF）作为控制UHPC自收缩新方法。考虑了纳米纤维素掺量（占水泥质量分数的0-0.30%）和硅粉掺量（25-15%水泥质量分数）两个影响因素，设计UHPC配比并进行试验测试。结果表明，纳米纤维素可以通过两方面的机制控制UHPC自收缩：其一，在水泥水化早期，纳米纤维素掺入后出现了特有的体积膨胀行为，将大大降低了复合材料自收缩率。UHPC的24小时、7天和14天对应自收缩率分别降低了45-75%，22-53%，和20-40%。其二，纳米纤维素在水泥基体中的桥接和强化效应，提高了材料整体的体积稳定性，进而控制了复合材料自收缩。相关论文以“Nano-engineered ultra-high performance concrete for controlled autogenous shrinkage using nanocellulose为题，于2020年发表在Cement and Concrete Research上。 图文解析 （1）纳米纤维素（CF）及硅粉（SF）对UHPC极早龄期阶段自收缩影响  图1 不同超高性能混凝土(UHPC)混合物的极早龄期(0 ~ 12h)自收缩变形演化 掺入与未掺CF的混合物自收缩变化在12h内展现出明显的差异。未掺CF的混合物在测试过程一直呈现出收缩变形增长的趋势（12h内收缩达到100μɛ），而含有CF的混合物在最初的7小时内，具有40-60μɛ的微膨胀，之后开始产生收缩，在13-16小时内稳定在大约0μɛ。产生微小膨胀变形的原因可能是由于CF原本吸收的水分逐渐释放出来造成的。在含有CF的混合物中，大约15小时后才观察到自收缩变形的急剧增大。总体来说，CF的掺入将有利于减小UHPC混合物极早期自收缩行为，而硅粉（SF）掺量变化对其影响不明显。  图2 根据变形速率和热流密度确定凝固阈值：以0CF/25SF混合物为例  图3 根据变形速率和热流密度确定凝固阈值：以0.30CF/25SF混合物为例 本研究以凝固阈值对应的时间作为测量自收缩的基准。这是因为在此之前，由于超高性能混凝土仍然是可塑性的，变形受水化过程中基质中发生的变化的影响很大。这些变形主要是由伴随着水泥水化的剧烈放热的热化学反应引起的。为准确的确定凝固阈值，进一步测试了0CF/25SF和0.30CF/25SF组混合物在前48小时内变形率和热通量的演变趋势。结果表明，0CF/25SF组的变形率在前5小时为几乎零，之后急剧增加在20 小时左右达到峰值（80μɛ/h) 并逐步回零。而0.30CF/25SF组在5-12小时之间呈现出早期扩张变形。此后，反向产生收缩变形并在大约 15小时达到收缩变形率峰值(约为61 μɛ/h)，与之相对应的热通量也在该时间段内出现最大峰值。超过该时间段后，变形速率和热通量逐步回零。 （2）纳米纤维素及硅粉对UHPC早期自收缩影响  图4 不同超高性能混凝土(UHPC)混合物中早期(12小时-7天)自生变形的演变 前7天（约160小时）自收缩变形结果显示：在24h内，由于混合物向硬化状态过渡，6组混合物自收缩都产生急剧增大的现象。24h-7d阶段的自收缩变化产生了一定的改变：第一，掺入CF的混合物自收缩率都低于未掺CF时。第二，含有15%SF的混合物比含有25%SF的混合物的自收缩率低。第三，0.30%的CF的自生收缩率比0.15%的混合物低。CF对自收缩降低的贡献主要来源于两方面措施：内养护和基体桥接作用。一方面CF可释放足够的水分有助于稳定内部相对湿度，从而提升内养护效果。第二方面，CF通过桥接作用约束混合物形变，从而有效控制自收缩。 （3）纳米纤维素及硅粉对UHPC长期自收缩影响 长期自收缩变形（0-90d）测试表明，SF掺量从15%提升到25%将使得UPHC收缩变形量提高。而掺入CF后，UHPC长期自收缩明显下降。0.30CF/25SF相对于0CF/25SF在 7-14 天时自收缩下降约为29%，在28天和91天之间下降约20-25%。0.30CF/15SF混合物相对于0CF/15SF混合物自收缩的减少约为30%。CF对长期自收缩的降低主要是通过桥接的方式来实现。  图5 不同超高性能混凝土(UHPC)混合物的长期变形 （4）纳米纤维素及硅粉对UHPC抗压、抗折强度影响  图6 不同超高性能混凝土(UHPC)的抗压强度结果 6组UHPC试件抗压强度测试结果表明：在1d龄期时，0.15%CF掺入基本达到与未掺CF相同的强度水平。超过7天其强度提升幅度显示增加，尤其是在56天和91 天（提升约10%）。然而，在0.30% CF掺入时，UHPC抗压强度存在明显降低，尤其是在1d和7d龄期降低较为显著。7d之后不利影响稍微减弱。造成该现象的原因可以归结为，高掺量的CF加入可能会有较明显的引气作用，更多的空气被截留在UHPC内部，使得强度降低。对于SF掺量变化时（15%-25%），56d之前没有看出明显的增强效果，然而，到 91d时，25% SF 掺入分别比15%SF掺入下提升了8% 和12% （未含和含有CF）。此现象可归因于化学和物理的结合影响：一方面，硅粉的火山灰效应。在水泥水化产生一定量氢氧化钙后，硅粉与其发生二次水化形成更多C-S-H凝胶，从而细化基体孔隙度，强化显微组织，并减少微裂纹。第二方面，颗粒堆积效应，导致更致密的微观结构，从而提升复合材料强度。  图7 不同超高性能混凝土(UHPC)的抗折强度结果 开裂和破坏模式 测试了不同组UHPC试件的28d、91d抗折强度，结果表明：CF的掺入对UHPC抗折强度有一定的提升，且以0.15%掺量下提升更为显著（抗折强度约提升10%）。CF对UHPC抗折强度的提升主要可归结为桥接效应，而当CF掺量由0.15%提升至0.30%时空气滞留效应的影响导致其提升效果下降。关于SF掺量的影响，与抗压强度变化规律相同，25% SF的混合物相比含15% SF的混合物抗折强度分别提升了 25%、23% 和 21% （CF 含量对应 0、0.15 和 0.30%）。 总结 本文研究使用纳米级纤维素丝(CF)作为一种新的缓解UHPC自收缩的材料。研究了CF(0、0.15、0.30% 水泥质量分数)的掺入和硅灰(SF)含量(25 ~ 15%)的调整对UHPC自收缩的影响。具体研究结果表明：（1）CF显著影响UHPC的自收缩行为，特别是在早期龄期(从浇筑到前7天)。CF具有在同类混合物中没有观察到的自膨胀特性，这可以归因于其亲水性和吸湿性导致CF中原本吸收的水分随时间变化而释放，从而有助于补充空出的基质孔隙。（2）0.15%CF掺入时可使抗压强度提升约10%，然而，0.30% 的CF掺入量对UHPC抗压强度不利，尤其是在1d和7d龄期降低较为显著。（3）硅粉掺量从 25% 调整到 15% 不会对水泥基材料早期自收缩产生影响，但对其 7 d龄期的自收缩降低高达28%，且其抗折强度降低约21-25%。而掺入纳米纤维素后，25%硅灰掺量的UHPC表现出与15%掺量时同样低的自生收缩率，且其抗折强度未受到影响。这表明纳米纤维素的掺入可以有效控制高掺量硅灰引起的UHPC自收缩变化。 文献链接： https:///10.1016/j.cemconres.2020.106217 |
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