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Cement Concrete Comp. ：UHPC中改性细碳纤维与高强水泥浆体的界面粘结：粘结滑移试验和分子动力学模拟
题目
Interfacial bond between modified micro carbon fiber and high-strength cement paste in UHPC: Bond-slip tests and molecular dynamic simulation
UHPC中改性细碳纤维与高强水泥浆体的界面粘结：粘结滑移试验和分子动力学模拟
关键词
碳纤维、UHPC、界面粘结、分子动力学模拟
来源
出版年份：2023年
来源：Cement and Concrete Composites
课题组：华南理工大学材料科学与工程学院黄浩良课题组
研究背景
在海洋、盐湖等恶劣环境下，超高性能混凝土（UHPC）中钢纤维易发生腐蚀，导致结构劣化。碳纤维（CF）具有质量轻、强度和弹性模量高、化学性质稳定等特点，能有效抵抗腐蚀性离子侵蚀。近年来随着CF制备成本不断降低，CF-UHPC在海洋工程建设中具有广阔应用前景。纤维与水泥浆体间的粘结强度是影响纤维增强效果的重要因素。纤维与浆体间界面相互作用力主要包括化学粘结力、摩擦力和锚固力。一般而言，大直径纤维（如钢纤维、聚乙烯纤维、木纤维等）与水泥浆体间化学粘结力较弱，摩擦力和锚固力占主导。而小直径纤维（如CF）与浆体间的相互作用则是化学粘结力占主导。CF由于表面惰性，与水泥浆体粘结强度低，极大地限制其对水泥基材料的增强效果。为解决该问题，现有研究一方面通过涂覆或沉积纳米SiO2、接枝碳纳米管、修饰氧化石墨烯等手段改性CF，以改善CF与浆体间的化学粘结力和界面摩擦力，提高粘结强度；另一方面通过调控水胶比、掺加外加剂等方式优化浆体孔隙结构，以改善CF与浆体间的界面过渡区（ITZ）。
研究出发点
目前缺少改性CF与UHPC间粘结性能的相关研究。此外，含氧官能团对纤维/浆体粘结强度或化学键能的影响尚不明确，导致设计和制备CF-UHPC缺乏关键参数支持。
研究内容
本文通过单次CF拉拔试验定量研究了不同表面状态CF与UHPC间的粘结滑移行为和化学键能；采用分子动力学（MD）模拟定量研究CF表面官能团种类和数量对CF/水泥浆体界面化学键能影响，从而揭示改性CF与C-S-H间的化学键合机理。
图1 CF拉拔试验模具及试样制备方法
图2 C-S-H/CF初始界面模型
图3模拟CF层间拉拔各阶段
图4 试块养护7 d的拉拔曲线：（a）未改性CF;（b）环氧树脂改性CF；（c）阳极氧化CF
图5 拉拔试验后CF的SEM图：（a）未改性CF;（b）环氧树脂改性CF；（c）阳极氧化CF
图6 养护7 d后CF表面改性对CF与UHPC界面键合性能影响：（a）界面粘结强度与嵌入深度关系；（b）界面粘结强度；（c）摩擦粘结强度；（d）化学脱粘能
图7 原子径向分布函数（RDF）：（a）未改性CF；（b）含3.2% -OH；（c）含3.2% =O；（d）含3.2% -COOH
图8 均方位移曲线（MSD）：（a）C-S-H/CF（初始）模型中的C原子；（b）C-S-H/CF（-OH 3.2%）模型中的C, OOH, HOH原子；（c）C-S-H/CF（=O 3.2%）模型中的C, Ocarbonyl原子；（d）C-S-H/CF（=COOH 3.2%）模型中的C, OOH, HOH, Ocarbonyl原子
图9 C-S-H/CF体系中各原子配位数：（a）未改性CF；（b）含3.2% -OH；（c）含3.2% =O；（d）含3.2% -COOH
图10 C-S-H/CF界面模型层间脱粘能：（a）不同官能团；（b）-OH；（c）=O；（d）-COOH
图11 CF与C-S-H层间拉拔模拟结果：（a）脱粘力；（b）脱粘能
图12 MD模拟与单纤维拉拔试验结果对比：（a）模拟脱粘力和实验测得界面粘结强度;（b）模拟脱粘能和实验测得化学脱粘能
主要结论
本研究通过单次碳纤维（CF）拉拔试验，定量研究了表面改性CF与高强水泥浆体间的粘结滑移行为和化学键能；采用分子动力学（MD）模拟定量研究了CF表面官能团种类和含量对CF/水泥浆体界面化学键能影响。主要结论如下：
（1）涂覆环氧树脂（C1）和阳极氧化（C2）可在CF表面接枝含氧官能团，有效提高CF与浆体粘结强度；C2和C1与浆体间的化学脱粘能分别提高117.0%和41.8%。
（2）CF与浆体的化学粘结性越好，CF通过拉拔实验从浆体中抽出的附着物越多；与未改性纤维相比，C2和C1的界面摩擦粘结强度分别提高67.8%和22.3%。
（3）由于改性CF与浆体间存在较大的化学粘结力和摩擦力，C2和C1与浆体的粘结强度分别提高88.6%和29.1%。
（4）MD模拟表明，CF表面的含氧官能团（-OH、=O、 -COOH）可与C-S-H凝胶形成较强的范德华力；-OH和-COOH可与C-S-H凝胶中的氧原子形成比范德华力更强的氢键，因而改性CF与水泥浆体间化学粘结力更强。
（5）MD模拟表明，-COOH氢键的成键能力是-OH的1.5倍；在CF上接枝-COOH能更有效改善CF与浆体间的键合。
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