纳米SiO2对纤维混凝土高温力学性能的影响及其机理研究

Nano-SiO2 is one of extremely important high-tech ultrafine inorganic new materials. Its small size effect, quantum size effect, surface effect and interface effect that macroscopic objects do not have equip it with unique features in many properties such as structure, physical properties and chemical properties. The application of nano technology in the concrete has made it possible to develop high-performance and multi-function concrete. It is of great scientific significance and practical value in guiding engineering application to have an in-depth understanding its function mechanism and failure mechanism. Targeting at the influence of Nano-SiO2 on Fiber Reinforced Concrete (FRC), this project studies how Nano-SiO2 affects the axial tensile properties of high performance concrete under high temperatures with many advanced testing techniques such as SEM, XRD, TEM and micro-hardness tester testing; and the damage and ruin of its mechanical behavior under high temperatures are observed at both micro and macro levels in order to study the features of the concrete's micro-structure and interface properties after adding Nano-SiO2; the micro mechanism of mechanical damage under high temperatures are analyzed based on the changes of its micro-structure in order to provide theoretical and technical foundation for engineering applications.

纳米SiO2是极其重要的高科技超微细无机新材料之一，由于其具有宏观物体所没有的小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应，从而使它在结构、物理性质和化学性质等方面具有许多传统材料不具备的奇特特征。纳米技术在混凝土中的应用，使混凝土向高性能、多功能方向发展成为可能，深入了解其作用机理和破坏机制，对于指导工程应用具有重要的科学意义和实用价值。本项目针对纳米SiO2对纤维增强混凝土的影响，研究掺入纳米SiO2后高性能混凝土的常温及高温力学性能，设计常温及高温时轴向拉伸试验，研究纳米SiO2对高性能混凝土高温时轴向拉伸性能的影响，综合采用SEM、XRD、TEM及显微硬度计测试等先进测试技术，从宏观到微观层次对其高温力学性能能及损伤破坏过程进行观测，以研究掺入纳米SiO2后高性能混凝土的微观结构特点及界面特性，并结合微观结构变化对其高温力学损伤的微观机理进行分析，为工程应用提供理论和技术基础。

纳米SiO2是极其重要的高科技超微细无机新材料之一，纳米技术在混凝土中的应用，使混凝土向高性能、多功能方向发展成为可能，深入了解其作用机理和破坏机制，对于指导工程应用具有重要的科学意义和实用价值。本项目针对纳米SiO2对钢纤维增强混凝土的影响，提出了一种新的掺纳米SiO2混凝土的制备工艺，研究掺入纳米SiO2后钢纤维混凝土的常温及高温力学性能。同时，本项目设计了一种新型的轴向拉伸试验及相应配套的耐高温试验装具卡具，以及试件模具，测试了掺纳米SiO2的普通混凝土和钢纤维混凝土的常温及高温时的轴向拉伸性能，为制定直接拉伸试验的标准和方法提供一种新的方法和理论依据。此外，采用SEM、XRD、TEM及显微硬度计测试等先进测试技术对不同温度后掺纳米SiO2的钢纤维增强混凝土的微观组织及界面过渡区进行观察及测试。分析其在不同高温后的界面区微观结构变化及损伤破坏过程形貌特征，并结合微观结构变化特点及界面特性对其高温力学损伤的微观机理进行分析。结果表明，纳米SiO2分子状态呈三维链状结构，它可与水泥水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应，降低Ca(OH)2含量和细化Ca(OH)2晶体，把对强度不利的Ca(OH)2转化为C-S-H凝胶，提高了结构的密实度。SEM分析表明，在钢纤维与过渡区的界面处，致密度提高，且显微硬度提高。由于固相反应，使界面区结构发生变化，在钢纤维表层形成扩散渗透层（白亮层），即化合物层，呈锯齿状，增强了钢纤维与基体的连接，XRD分析证明白亮层主要是由FeSi2和复杂的水化硅酸钙组成，从而增强了钢纤维与基体的粘结力，提高了混凝土的高温后力学性能。试验表明，纳米SiO2对钢纤维混凝土的强度提高幅度非常显著，高温下，在纳米粒子晶核效应、填充效应和火山灰效应的共同作用下，纳米SiO2改善了混凝土的基体组织及过渡区的结构和性能，本质上削弱了界面层的不利影响，这种组织结构的改善在400ºC时达到极佳状态，因此掺纳米SiO2的钢纤维增强混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和轴向拉伸强度都达到最大值。本研究的主要结论可为纳米SiO2在混凝土工程中的应用提供理论和技术基础。