演讲者：Surendra Shah，德克萨斯大学阿灵顿分校
用于生产超高性能混凝土 (UHPC) 的碳纳米纤维正在彻底改变混凝土行业。该技术可生产出安全、简单且可持续的 UHPC，用于基础设施、建筑施工和其他设计应用，其低收缩和蠕变、优异的粘结强度和抗拉性能是其一大优势。它具有独特的可持续性优势，即使用从废物流中捕获的二氧化碳作为原料来生产混合物中所需的纳米纤维。本演讲将描述基质的纳米多孔机械结构、纳米技术的基本特性，并提供目前使用这种材料的具体应用示例。它将解释为什么 UHPC 是用于弹性/可持续设计的理想材料，以及工程师和混凝土专业人士如何利用这种材料进行比传统应用更持久、环境足迹更小的项目。
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谢谢，早上好。我今天要展示的工作是在香港理工大学由戴教授进行的。他有一个很大的团队，专注于超高性能混凝土（UHPC）等方面。我在香港时，他提到我们准备好了一份演示文稿，他会进行展示，但大约十天前他写信说他无法演讲，并表示会把幻灯片发给我，但最终没有收到幻灯片，这让我有些慌乱。所以我根据已发表的论文制作了幻灯片。幻灯片虽然昨天到了，但我已来不及使用，因此我用的是我自己准备的材料。
我们了解到，UHPC有很多优点，但与高强度或普通混凝土相比，它使用了大量的波特兰水泥。现在我们对可持续性越来越关注，即使在UHPC的子委员会中也是如此。这是我们的一个目标。第二个目标是UHPC由两项指标定义：抗压强度和抗拉延展性。你会注意到，在UHPC社区中，强调的主要是强度，而对延展性的关注则相对较少。因此，我们希望能够同时实现高强度和高延展性。
接下来，我将继续我的演示。我们希望减少熟料的使用，因为有多种原因需要减少熟料含量，且有很多方式可以实现这一目标。我们认为，如果用地聚合物替代水泥，显然可以降低二氧化碳排放和能耗。地聚合物的定义最初是通过使用碱激活的焙烧粘土引入的。现在人们也将其定义为碱激活的铝硅酸盐，但大家仍然使用地聚合物这一术语。
地聚合物有两个组成部分：前体铝硅酸盐和激活剂。根据钙含量的不同，地聚合物可分为高钙和低钙。我们使用的高钙材料是矿渣，而低钙材料则是粉煤灰。因此，我们希望看到用矿渣和粉煤灰组合制成的UHPC，以调整钙含量。
如果不详细讨论，简单说一下，使用低钙材料会导致形成钠铝矿，而使用高钙材料会导致形成钙铝硅酸水合物。首先，我将谈到用钢纤维制成的地聚合物，目前最常见的UHPC使用钢纤维。我们所做的实验使用了F级粉煤灰或矿渣以及少量的硅灰。我们进行了两种测试，分别是抗压强度和单轴抗拉测试。
我们使用的固化条件是地聚合物标准的，需在90摄氏度下固化三天。我们使用了硅灰，展示了粒径分布，砂、矿渣、粉煤灰的粒子堆积理论概念接近理论值。
关于抗压强度的结果，如果观察左侧的抗压强度图，可以看到当F级粉煤灰的含量变化或矿渣的含量增加时，抗压强度也有所提升。使用三种不同量的钢纤维（2%、3%、4%），可以看到钢纤维的增加也提高了抗压强度，最高可达220兆帕。
在抗拉应力-应变曲线中，值得注意的是，抗拉应变的峰值低于1%，约为0.6%。此外，增加粉煤灰的含量虽然降低了抗压强度，但也在一定程度上提高了延展性。
我展示了不同粉煤灰或矿渣含量下的扫描电子显微镜图像，当矿渣含量最高时，材料显得更加致密。我们发现，通过对钢纤维表面的能量分布分析，可以看出，结合物质的改进显著提高了与钢纤维之间的粘结。
我将谈论我们在高密度聚乙烯纤维方面所做的工作。这些纤维的模量接近100吉帕，非常高的模量，且具有很高的抗拉强度。使用的纤维尺寸也显示出显著更高的纵横比，纤维的用量为2%。我们希望改变地聚合物中粉煤灰和矿渣的比例，可以看到我们有20:80、50:50和80:20的组合。激活剂为水玻璃和无水硅酸钠。我们曾希望用纳米硅替代无水硅酸钠，但该工作尚未完成，因此不进行展示。
此外，还有来自硼砂的缓凝剂。水与结合料的比例接近0.3，稍后会展示更低的水胶比。这里是合成纤维2%时的抗压强度，但与钢纤维相比，抗压强度为160，较低。很有趣的结果是抗拉延展性，我们可以在许多结构应用中获得高达10%的抗拉应变。因此，尽管抗压强度稍低，但延展性显著更高，带来了许多好处。
在粉煤灰与矿渣比例对抗拉应力-应变曲线的影响上，未见显著差异，峰值抗拉强度在10到15兆帕之间，这相当高。重要的是，我们现在的材料更接近于紧密硬化水泥复合材料，结合了非常高的抗压强度。可以看到，矿渣含量越高，基体越致密。
我想展示的工作是，之前我提到的水泥比为0.28，现在调整为0.27。我们想看看通过降低水胶比，能否更接近钢纤维。通过对比不同的水胶比，可以看到较低的水胶比接近180，接近超高性能混凝土（UHPC）。我们测量了结合水的含量，发现随着矿渣含量的增加，毛细孔隙度降低，这也解释了抗压强度的提高。
我们进行了纳米压痕测试，以确保表面粗糙度较低。结果显示，随着矿渣含量增高，密度和超高密度均有所增加。抗拉延展性在不同水胶比下的结果显示，随着水胶比降低，抗拉强度可达到18兆帕，延展性可达10兆帕。
我想显示的是关于抗拉强度的比较。在高应变下，裂缝宽度为100微米，在10%的抗拉应变下出现了连续多次裂缝。这是关键点。我们现在有一种更可持续的地聚合物，结合合成纤维，能够实现高强度和高延展性。
最后一张幻灯片中，我们讨论抗压强度与抗拉强度的关系。左侧是钢纤维的工作，而右侧是合成纤维，我们的工作显示出虽然抗压强度不算高，但仍接近180的水平，且具有很强的抗拉性能。这对许多结构应用来说非常有趣。
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