编号：JCHY00828

篇名：纳米-纤维协同改性混凝土性能研究

作者： 李佳明

关键词： 纳米碳酸钙; 聚丙烯纤维; 纤维增强混凝土; 静态力学性能; 动态冲击性能; 协同效应; 微观机理;

机构： 安徽理工大学

摘要： 传统混凝土材料在动态冲击荷载下常表现出高脆性与低能量吸收的显著缺点,限制了其在防护工程等关键领域的应用。为克服这一瓶颈,本研究创新性地提出了纳米尺度基体强化与微米尺度纤维增韧相结合的多尺度协同改性策略,旨在通过复掺纳米碳酸钙与聚丙烯纤维,系统提升混凝土的静、动态力学性能,并深入揭示其协同作用机理,为开发高性能抗冲击水泥基复合材料提供理论与试验依据。 本研究采用系统的单因素预实验与正交试验设计,考察了纳米碳酸钙与聚丙烯纤维单掺及复掺的影响,确定了最优复掺配比。通过无侧限单轴压缩、劈裂抗拉试验评估静态力学性能。利用分离式霍普金森压杆进行单一应变率下的动态冲击试验,评价动态强度、韧性及能量吸收特性。并借助扫描电子显微镜观测微观形貌,以建立宏观性能与微观结构的关联。主要研究结果如下: （1）在静态荷载下,NP-8组实现了抗压与抗拉强度的协同最大化,其28天强度分别达43.6MPa和3.0MPa,且应力-应变曲线展现出更高的峰值应力与更延展的下降段,表明纳米材料主导早期基体强化,而纤维主导后期增韧,二者功能互补。 （2）在～80s-1的动态冲击下,NP-8组展现出高强度、高率敏感性、高能量耗散的协同优势,其动态抗压强度（65.84MPa）、动态增强因子（DIF=1.51）及单位体积吸能（0.9813J）均为各组最高,表明复掺体系显著优化了材料的动态响应与抗冲击韧性。 （3）微观机理分析表明,协同效应根源在于纳米碳酸钙对纤维与基体界面过渡区的显著强化。SEM观测显示,复掺体系中的纤维被水化产物紧密包裹,界面结合极为致密,而单掺纤维界面则存在明显缝隙。这种优化的界面为纤维提供了更牢固的锚固,使其桥联与拔出耗能机制得以高效发挥,构成了宏观性能协同提升的微观基础。 （4）两种改性材料的影响存在明确的时效分工。极差与方差分析证实,在早期（14天）,纳米碳酸钙是提升抗压强度与刚度的主控显著因素;而聚丙烯纤维的增韧效果及其对抗压强度的贡献随养护时间显著增强,在后期（28天）成为主导。最优配比NP-8精准实现了纳米材料早期强化基体-纤维长期主导增韧的时序协同。