納米纖維素在高性能混凝土中的應用

黃清林，李明春，陳星

（浙江智峰科技有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 前言

纖維素是植物通過光合作用產生的天然高分子化合物，取之不盡、用之不竭、無污染、可降解，但是具有熱解性能差、不耐化學腐蝕、強度有限的缺點。經過機械、化學和生物等方法處理后，從纖維素中提取的納米纖維素材料不僅具有輕質、可降解、可再生、生物可相容等纖維素的基本結構與性能，還具有納米顆粒的特性。其粒徑大小一般在 1～100nm 之間，因其具有小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應等，賦予其特殊的電、磁、光等物理、化學、力學特性。與普通纖維素相比，比表面積大、表面能高、熱穩定性好、抗張強度高等特點。目前市場上納米纖維素材料主要包括纖維素納米晶體（Cellulose nano-crystals，CNC）、纖維素納米纖維或納米纖絲（Cellulos e nanofiber，CNF）。兩種納米纖維素的來源見圖 1。

圖 1 納米纖維素來源示意圖

TEMPO 改性納米纖維素（Nanofibrillted Cellul ose modified by TEMPO Medium, TONFC）是一種經TEMPO 體系改性的納米纖維素，其直徑為 5～20nm，長度 0.5～5μm。TEMPO 氧化的 CNF 其表面帶有負電荷，產品在較低的濃度下即為半透明或透明性凝膠（圖2），凝膠粘度較高，羧基含量不同產品透明度和粘度不同。圖 3 為 TONFC 的掃描電鏡圖片。

圖 2 TOCNF 半 透明凝膠

纖維素納米纖維近年來已被應用于諸多領域，目前已報道的材料種類十分豐富，例如：食品包裝膜、氣凝膠、水凝膠、復合材料、鋰電池隔 膜、儲能材料、導電材料、碳納米管的分散、分離薄膜、水處理、紙張增強、食品、木器涂料添加、日用化工、增稠劑、保水劑、重金屬吸附劑、石油鉆井、采 油等。本文將其用于高性能混凝土中，利用納米纖維素自身的性能，來改善混凝土的性能。

圖 3 TOCNF 電鏡圖片

1 試驗用原材料

（1）水泥：試驗采用南方水泥廠產的 P·O42.5 水泥，其性能試驗結果如表 1 所示。

表 1 水泥技術指標

（2）礦粉：試驗采用張家港沙鋼生產的 S95 級礦粉，其性能技術指標如表 2 所示。

表 2 礦粉技術指標

（3）粉煤灰：試驗采用嘉興電廠的Ⅱ級灰 F 類，其性能技術指標如表 3 所示。

表 3 粉煤灰的技術指標

（4）外加劑：試驗采用高性能聚羧酸減水劑，規格為 HQL-Ⅱ 型，其性能指標如表 4 所示。

表 4 外加劑技術指標

（5）機制砂：試驗用細骨料采用福建機制砂，其試驗結果如表 5 所示。

表 5 砂技術指標

（6）碎石：試驗用粗骨料采用浙江富陽碎石，規格為 5～25mm 連續級配，含泥量等指標均符合標準要求。其試驗結果如表 6 所示。

表 6 碎石技術指標

（7）TEMPO 改性納米纖維素：由漂白針葉木漿板經 TEMPO 體系預處理+高壓均質的方法制得，寬度 10～50nm，長度 0.5～5μm；分散介質：水，表面基團羧基含量 1.0～1.3mmol/g，pH 值 7～8，產品濃度0.9%～1.2%。

表 7 混凝土配合比及性能

2 混凝土配合比及性能

納米纖維素的用量較少，不容易被分散，因此在摻入前先配制成濃度 2.5% 的液劑（濃度在 2.5% 以下溶解效果最佳），再配制到減水劑中，摻量為 2%。

根據原材料的質量情況，進行多輪試驗驗證，分別針對 C30、C35、C40 混凝土進行對比，如表 7，坍落度 (180±30)mm，1# 為基準外加劑，2# 為摻納米纖維素外加劑。

3 總結

（1）通過試驗發現，摻納米纖維素的混凝土在水膠比相同的情況，混凝土流動性大，30min、60min 坍落度損失均比基準小，與水泥、外加劑適應性好。

（2）摻納米纖維素 2# 試樣的工作性能，要比基準的好，混凝土拌合物稠度、粘聚性好，不抓底，保水效果好。

（3）混凝土拌合物的 R7 和 R28 強度比基準的要高 10%～15%。

（4）通過試驗驗證，納米纖維素在混凝土拌合物中添加使用，能當作功能性小料添加到減水劑中復合使用，使減水劑功能更優越，摻量不大，效果明顯。

（5）通過試驗發現，添加納米纖維素的混凝土抗滲效果比基準高，因其自身分散、網狀結構功能特點，提高了混凝土拌合物的密實性，從而抗滲效果突出。

（6）通過一年多的試驗，我們發現納米纖維素與羧酸外加劑、萘系、脂肪族等外加劑都兼容，與水泥及其他摻合料的適應性好。