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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我们准备了一份演示文稿，原计划由他向Konsta教授展示。但十天前，他告知无法出席，只提供幻灯片，然而幻灯片一直没收到，这让我很慌张。因此，我基于已发表的论文制作了幻灯片。虽然昨天收到了他的幻灯片，但为时已晚，所以我使用了自己准备的幻灯片。
我想你们听说过UHPC（超高性能混凝土）。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，我们越来越关注可持续性，即使是UHPC。因此，我们的目标之一是减少水泥用量。
第二个目标是，UHPC的定义由两方面决定：抗压强度和抗拉延性。UHPC领域一直以来更关注强度，而对延性的关注较少。我们希望同时获得高强度和高延性，就像在钢纤维增强水泥基复合材料中那样。
我们希望减少水泥熟料的含量，原因有很多，也有很多方法可以做到。我们考虑用地聚合物代替水泥，因为地聚合物具有更低的二氧化碳排放量、更低的能源需求和更低的资源消耗。
地聚合物，最初是指碱激活的钙质材料，现在更准确的称呼是碱激活的铝硅酸盐。但人们仍然使用“地聚合物”这个词。地聚合物有两个组成部分：铝硅酸盐前驱体和活化剂。根据钙含量，有高钙碱激活和低钙碱激活两种。我们使用矿渣作为高钙碱激活的活化剂，使用粉煤灰作为低钙碱激活的活化剂。
我们的研究目标是制备结合矿渣和粉煤灰的UHPC，并根据钙含量调整比例。如果使用低钙体系，则主要生成N-A-S-H（水化硅铝酸钠），如果使用高钙体系，则生成C-A-S-H（水化硅酸钙）或C-S-H（水化硅酸钙）。
首先，我将讨论用钢纤维制备的地聚合物。目前，最常见的UHPC使用钢纤维。我们使用了F级粉煤灰或矿渣，以及少量硅灰。成分如幻灯片所示。我们改变了粉煤灰和矿渣的比例：80%粉煤灰和20%矿渣，以及80%矿渣和20%粉煤灰。其他成分保持不变。我们进行了抗压强度和单轴抗拉试验。试件和固化过程如幻灯片所示。
我们使用了硅灰，其粒径分布如幻灯片所示。砂、矿渣、粉煤灰和硅灰的粒径分布图也已展示，红线表示理论上的颗粒堆积，我们的结果与理论值非常接近。
关于抗压强度，左侧图表显示了改变F级粉煤灰用量或增加矿渣用量后的抗压强度。可以看到，所有左侧的试件都含有3%的钢纤维（钢纤维的尺寸在之前的幻灯片中提到过）。增加矿渣用量或增加C-A-S-H含量，抗压强度会越高。右侧图表显示的是使用最高矿渣用量，但钢纤维用量不同的试件的结果。可以看到，增加钢纤维用量会提高抗压强度，最高的抗压强度为220兆帕。
抗拉应力-应变曲线如幻灯片所示。需要注意的是，峰值抗拉应变小于1%，约为0.6%。增加粉煤灰用量会略微提高延性。虽然增加粉煤灰用量会降低抗压强度和抗拉强度，但它确实会提高延性。而增加钢纤维含量会提高抗拉强度，但也会降低延性。
我们还展示了不同粉煤灰或矿渣用量下的扫描电镜照片。当矿渣用量最高时，材料密度更高。稍后我会详细解释。我们发现，在钢纤维表面，C-A-S-H和N-A-S-H的结合相当多，这意味着结合力得到了显著提高。
接下来，我将讨论我们用高密度聚乙烯纤维所做的工作。这种纤维的模量接近100吉帕，非常高，抗拉强度也很高。所用纤维的尺寸如幻灯片所示，具有相当高的长径比。纤维用量为2%。我们的目标是改变地聚合物中粉煤灰和矿渣的比例。我们使用了20:80、50:50和80:20三种比例。活化剂是两种水玻璃和无水硅酸钠。我们最初想用纳米二氧化硅部分替代无水硅酸钠，但这部分工作尚未完成，所以我不做介绍。我们还使用了硼砂作为缓凝剂。水灰比大约为0.3，稍后我将介绍更低的水灰比的结果。
使用合成纤维的抗压强度如幻灯片所示，纤维用量为2%，粉煤灰和矿渣的比例不同。与钢纤维一样，矿渣含量越高，抗压强度越高。但需要注意的是，抗压强度比钢纤维低160兆帕。非常有趣的结果是抗拉延性，我们可以获得峰值抗拉应变高达10%的延性。在许多结构应用中，延性起着重要作用。虽然抗压强度略低，但更高的延性有很多好处。
在抗拉应力-应变曲线和峰值抗拉强度方面，粉煤灰与矿渣比例差异不大，峰值抗拉强度在10到15兆帕之间，相当高。重要的是，我们现在正接近钢纤维增强水泥基复合材料的性能，结合了高抗压强度和高延性。
与之前的结果一样，矿渣含量越高，基体密度越高。我还想展示一下我们用水灰比为0.27（之前为0.28）进行的工作。我们想看看通过降低水灰比是否可以更接近钢纤维的结果。如幻灯片所示，使用较低的水灰比，抗压强度接近180兆帕，接近UHPC的水平。我们测量了结合水含量，可能是由于毛细孔隙率降低，当矿渣含量较高时，毛细孔隙率降低，因此抗压强度更高。事实上，对于所有使用不同水灰比或前驱体比例的工作，毛细孔隙率与抗压强度之间都存在良好的相关性。
为什么矿渣会产生更高的强度？我们进行了纳米压痕试验，确保表面粗糙度较低。结果如幻灯片所示，重点关注表格。你们熟悉纳米压痕试验，人们会根据密度将材料分为低密度、中密度和超高密度。可以看到，矿渣含量越高，密度越高，超高密度材料的模量也越高。
这是不同水灰比下的抗拉延性结果。所有结果都使用较低的水灰比。我们现在正接近18兆帕的抗拉强度和10%的延性。我想在这里展示的是抗拉强度的比较，但重点关注底部曲线图。关键在于，在高应变下，发生的是顺序多裂纹，裂缝宽度在10%的抗拉应变下达到100微米。这是关键。你们可以看到一些图片，例如9%应变下的图片，显示了顺序多裂纹和裂缝宽度。
现在我们有了更可持续的地聚合物，结合合成纤维，可以获得高强度和高延性。这是最后一张幻灯片，比较了抗压强度和抗拉延性。最左边是所有使用钢纤维的研究，另一边是使用合成纤维的研究，我们的研究结果显示在此图中。我们的抗压强度虽然不高，但也接近180兆帕，但延性非常高。我认为这对于许多结构应用来说都非常有趣。
