概要：本研究深入研究了气相纳米二氧化硅在超高性能混凝土中用于防弹的潜在用途。首先，测定不同Aerosil 200含量UHPC的力学性能、坍落度流量和比重;然后，对这些水泥复合材料进行了量热研究。最后，测定了气相纳米二氧化硅UHPC的差效率因数和剥落面积。根据结果得出，添加气相纳米二氧化硅可略微降低坍落度流量、力学性能和效率因数差异。然而，添加气相纳米二氧化硅有利于减少剥落面积，并且在诱导期间具有高度反应性。一些结果得到了BSEM成像的支持。
超高性能混凝土的高抗住压力的强度、高耐久性和致密基质是通过优化堆积密度、使用极细颗粒、减水剂和通常低于 0.3 的低 w/b 比来实现的。使用不相同尺寸和形状的钢纤维使UHPC达到延展性和高弯曲强度。然而，它们的掺入会减少坍落度流量，这会对机械性能产生影响。使用硅粉（SF）可以进一步改善这些性能，这对纤维-基体界面键非常有益，并显着降低CH含量，从而导致机械性能的提高[1，2，3，4，5，6]。
也许混凝土中使用最广泛的火山灰纳米材料是纳米二氧化硅（NS）。它充当CSH凝胶的成核位点，然后填充孔隙。这导致UHPC的堆积密度更高。然而，均匀分散的问题在于将NS掺入水泥基复合材料中。关于混凝土中NS的复杂研究必须在未来进行，部分原因是NS的几种类型，其中胶体纳米二氧化硅（CNS）和气相纳米二氧化硅（FNS）可能是最常见的类型。同时，根本没有关于UHPC与NS的弹道性能的可用数据[7，8，9，10]。
关于中枢神经系统对水泥基材料性能的影响有一些研究。Hou等研究了中枢神经系统对水泥水化的影响。他们发现，在早期，通过加速水泥颗粒的溶解和产品的沉淀，通过添加水化来加速水化;然而，它在后期阻碍了水合作用。Björnström等研究了C的水合动力学3存在中枢神经系统的 S。他们还得出了与Hou等人关于水合作用相似的结论，但没有观察到后期水合作用的阻碍。Kontoleontos等研究了CNS添加对超细水泥水化的影响。没有观察到机械性能的立即增加，但28天后抗压强度的提高非常显着。另一方面，观察到凝固时间缩短[11，12，13]。
Ghafari等研究了CNS添加对UHPC特性的影响。钙（OH）的消耗量要多得多2与SF相比观察到。还观察到28天后在抗压强度方面的益处。他们还注意到，随着中枢神经系统的加入，坍塌流量有所下降。还观察到CNS增加了骨料和粘合剂之间的粘合强度。Chen等研究了橄榄石中枢神经系统添加对UHPC特性的影响。观察到早期抗压强度增加。研究人员Li等人得出的结论与以前的研究人员相似。Said等研究了CNS对水泥浆和砂浆性能的影响。钙（OH）的消耗量2中枢神经系统含量如此之高，以至于高于3%的中枢神经系统添加量仅作为填充剂。Senff等人和Zapata等人进行了类似的研究，其结论与上述相似。Aly等研究了中枢神经系统对玻璃水泥砂浆性能的影响。结果表明，中枢神经系统的加入有利于断裂能量和冲击强度的增加[8，14，15，16，17，18，19]。
关于FNS添加对水泥基材料影响的研究是有限的，因为它们没有专门分类NS的类型。这导致假设当这些文章中没有说明CNS或NS浆液时，研究人员使用了FNS。Jalal等研究了SF和FNS组合对高性能混凝土（HPC）性能的影响。作者提到，添加FNS可降低出血和隔离的风险。还发现，结合SF和FNS可以有效地提高机械性能。Givi等研究了添加不一样的尺寸的FNS对水泥/FNS混合物力学性能的影响。结果表明，FNS颗粒直径越小，早期力学性能的改善越好，反之亦然。陶磊研究了混凝土中添加FNS对其透水性和结构的影响。观察到致密的CSH凝胶的发生。Gaitero等人进行了类似的研究，但他们的研究很有趣，因为他们比较了FNS和CNS作为水泥浆中的添加物。结论是，添加CNS对钙浸出更有益[19，20，21，22，23]。
Kong等人的另一项研究是他们研究FNS团聚对水泥基材料性能的影响。结果发现，团聚和非附聚的FNS都改善了微观结构，但来自附聚FNS的凝胶不能作为粘合剂，甚至两种类型的凝胶都可以通过电子显微镜观察到。反过来，这可能意味着聚集的FNS不具有CSH凝胶生长的接种活性。Zyganitidis等研究了FNS添加对水泥浆纳米力学性能的影响。观察到由于水泥浆没有足够的时间水合而导致纳米力学性能下降。Shekari等人研究了FNS添加对HPC特性的影响。有人提到，添加FNS导致机械性能增加和样品吸水率降低。Gesoglu等比较了添加SF和FNS对UHPC性质的影响。结果表明，FNS的添加量与SF相似，但NS的添加量在堆积密度的增加方面效率提高了十倍;但是，也有人指出，SF和FNS的组合使用肯定比单独使用它们更有益。Ghafari等研究了FNS添加对UHPC特性的影响。他们提出的结果与上述一些关于Ca（OH）反应性的研究相似2、力学性能和坍落度流动[24，25，26，27，28]。
据信，最早观察到钢纤维与SF之间协同效应的研究人员是Ramadoss等人。这种协同效应被认为是SF添加通过消除Ca（OH）的量来增强钢纤维和基体之间结合强度的结果。2在界面区。SF还对UHPC基体具有填充作用，并增强了UHPC的整体性。SF的填充效果可以随着其添加比重的增加而观察到。可以假设关于粘结强度的类似结果可以应用于NS，事实上，Pi等人观察到钢纤维和NS之间粘结强度的增强。人们还可以假设，如果NS的填充效应是显着的，那么也可以通过比重的增加来观察到。值得注意的是，钢纤维与基体之间的粘结强度被认为是UHPC抗冲击性的关键[10，29，30，31，32]。
抗冲击性通常也可以通过增加基体中掺入的钢纤维的体积来增加。然而，随着基体中钢纤维体积的增加，存在诸如纤维球化或成本增加等问题。这意味着增加UHPC弹道阻力的一种方法可能是添加NS，并通过加强钢纤维和UHPC基体之间的结合来增加弹道阻力。弹道阻力的增加将归因于机械性能的增加，因为人们普遍认为，诸如抗压和弯曲强度等性能的增加也会增加UHPC的弹道阻力。如前所述，尽管关于添加纳米颗粒的UHPC动态强度的文献很少，但就没有关于添加FNS的UHPC弹道性能的已发表研究。另一方面，关于具有不同类型纤维或不同类型骨料的UHPC的弹道性能或冲击性能，有很多研究可用。因此，这可能意味着应该有可能将UHPC的弹道性能与添加FNS进行比较，例如，用混合纤维增强的UHPC[10，33，34，35，36，37，38，39，40，41，42，43，44，45，46]。
每种混凝土对弹丸冲击的响应基础：首先是弹丸冲击，之后发生剥落。剥落现象造成了入口陨石坑。剥落后，有一个称为隧道的阶段，它由弹丸穿过材料而没有任何弹坑组成。最后，存在与弹丸离开混凝土相关的结痂现象。还存在与弹丸对混凝土的冲击相关的压缩波和径向开裂以及混凝土板的可能变形。由此得出的结论是，材料抗剥落、结痂和开裂能力的提高可以提高UHPC的防弹性。混凝土弹道响应的基本原理如图1所示[10，47，48]。
本文对不同用量Aerosil 200 FNS下UHPC的力学性能、坍落度流量和比重进行了评价。还提供了复合材料的等温量热测试，以评估FNS在水合动力学方面对基质的影响，从而对FNS在UHPC中的作用提供更复杂的描述。最后，在UHPC上进行穿透深度（DOP）测试，加入Aerosil 200计算差分效率因数（DEF）值，并评估平均剥落面积。一些结果得到了BSEM成像的支持。应该指出的是，我们不仅提供了一组从未发表的弹道阻力数据，我们还对每种制造的复合材料进行了脱气，这在UHPC的文献中很少使用，也从未用于除UHPC之外的FNS[49]。同时，FNS添加量对UHPC抗弯强度的影响明显缺乏结果。作者认为，这项研究的重要性在于它是理解纳米材料在UHPC中的作用和实际可用性的关键数据。本研究的目的是了解FNS是否以及如何影响UHPC的弹道特性。
每种混合物的组成见表1。人们可以找到与[49]中使用的混合物相似的混合物，但主要区别在于K2所以4未使用。本研究未使用这种化学物质，因为存在K2所以4导致混合物在混合几分钟后非常难以使用。Aerosil 200的百分比计算为粘合剂（水泥和硅粉）的重量百分比。应该指出的是，KHCOO是由KOH（技术质量99%，Fichema，布尔诺-利谢斯，捷克共和国）和Ca（HCOO）沉淀预先合成的。2（技术质量98%，化学物流，帕尔杜比采，捷克共和国）。
细沙、水泥和SF被称重到一个碗里。微粉化砂和钢纤维在单独的碗中称重。将前248 mL水倒入250 mL气缸中，并用20 mL注射器将减水剂注入该圆筒中。然后，将甲酸钾加入到炉粉中，并通过转动圆筒将所有东西混合。混合在霍巴特型行星式搅拌机中进行。首先，将装有细砂，SF和水泥的碗以最慢的设置混合1分钟，以使混合物适当地均质化。1分钟后加入水，减水剂和甲酸钾的混合物。然后将混合物混合直至塑化，然后加入微粉砂，并在加入微粉砂后的最快设置下进行混合。然后在混合5分钟后加入剩余的水。然后在混合8分钟后缓慢加入钢纤维。10 min后进行混合，并进行小锥体坍落度流试验。将混合物加入到小锥体中，并在提起锥体30秒后测定坍落度流量。
在混合新鲜化合物并确定坍落度流量后，在真空室中对混合物进行脱气。将混合物倒入真空室中，然后将其密封并打开真空泵。然后将混合物与搅拌器混合，直到观察到水沸腾。然后将脱气的混合物快速倒入模具中，用于制造3个尺寸为4×4×16厘米的样品。每种类型的混合物制成三种混合物（每种混合物6个标本）;因此，每种混合物获得了 3 个坍落度流量值。向模具中的浇注方式与[49]相同，纤维沿试样的最长尺寸定向。将混合物倒入模具后，将模具振动30 s并硬化24 h，然后所有样品脱模，未进行机械性能评估的试样在水下固化7天和28天。
首先，在7天和28天后对尺寸为4×4×16 cm的机械性能测试试样进行加权。然后，将试样的重量除以试样的体积，计算比重并取平均值。
机械性能评估在24小时（脱模）、7天和28天后进行。每次测试三个样本。所有测试均按照ČSN EN ISO 196-1进行。首先，使用 Instron 5895 和 250 kN 称重传感器评估弯曲强度。支座跨度测量为100 mm，预紧速度为3 mm/min，直到达到5 kN的力。加载速率为0.08 kN/s。
抗住压力的强度测试是在混凝土试验机DESTTEST 3310上进行的，该试验机带有捷克品牌BetonSystem的3 MN称重传感器。装载区域始终为 1600 mm2加载速率为2.4 kN/s。用于弯曲强度的样品的两端用于测定抗住压力的强度。
等温量热法仅在UHPC基质上进行，比例与表1相同。首先，制备50 g复合混合物，并将10 ± 0.005 g该混合物倒入由塑料制成的20 mL安瓿中。参考材料脱盐后的水量与复合材料的热容量相对应。测试是在TA Instruments的TAM AIR上进行的。
用于BSEM成像的SEM是蔡司EVO LS 10。电压为15 kV。断裂表面的试样是通过切割试样以测试机械性能，然后用钳子将其打碎制成的。
哪里ρr是铝合金气缸的密度，ρs是接受DOP测试的材料密度，Pr是不带混凝土圆柱体的铝合金圆柱体中的穿透深度，P分辨率是与混凝土圆柱体一起渗透到铝合金圆柱体中，以及Hs是混凝土圆柱体的长度。计算
DEF相对于铝合金气缸的尺寸可以在图 3 中的方案中看到。沿着DEF也确定了剥落区域。
坍落度流动的结果如表2所示。Aerosil 200添加量最低时，坍落度流量明显没有明显下降，但在Aerosil 200添加量0.25%之间，坍落度流量急剧下降。在增加0.5%和1.0%之间，下滑流量的下降并不像0.25%和0.5%之间的增加那么陡峭。这与引言中的文献一致，并且可以解释为维持可加工性所需的水量增加，因为与SF相比，FNS的比表面积更高。但是，数据之间的趋势不是线性的。这可能是由于混合物中不同剂量的FNS附聚物的数量和大小不同。这可能是未来研究中要探索的进一步方向。
7天和28天后试样比重的平均值见表3和表4。与参考复合材料相比，Aerosil 200复合材料的比重似乎几乎没有变化。然而，添加0.5%Aerosil 200的复合材料在7天和28天后在所有复合材料中具有最大的比重;然而，这种变化仍然不足以说添加0.5%的Aerosil 200显着增加了比重。这可以归因于其他地方提到的效果，以及仅添加0.5%的Aerosil 200是不够的。
抗压强度评价的评价结果见图4。误差线表示标准偏差。该百分比表示将Aerosil 200添加到复合材料中。从图4中的结果可以清楚地看出，在固化的前7天，抗压强度没有明显差异。添加 Aerosil 200 固化 28 天后，抗压强度也明显下降。这与上述修订的文献相悖。
在弯曲强度的情况下也观察到了类似的结果，如图5所示。误差线中的标准偏差。该百分比表示将Aerosil 200添加到复合材料中。关于添加FNS的UHPC弯曲强度的结果的讨论非常困难，因为没有包含这些的文献。添加Aerosil 200似乎并没有显着影响弯曲强度，与抗压强度相似，除了添加了0.5%Aerosil 200的复合材料;但是，似乎没有理由在28天后增加弯曲强度。然而，当需要高于参考弯曲强度时，添加一些FNS可能对早期强度有益。然而，这带来了 28 天后抗压强度略低和复合材料成本较高的缺点。
至于添加Aerosil 200的复合材料的整体机械性能，似乎干式FNS的适当均质化可能是一个由抗压强度结果支持的问题。回想一下，本研究的作者没有采用任何特定的方法来对FNS进行适当的均质化。然而，弯曲强度结果仅部分支持该假设。值得注意的是，复合材料中已经存在相对较高的SF量。这可能意味着Aerosil 200只能用作填料，因为只有少数的Ca（OH）2与 FNS 做出反应。然而，由于FNS的快速反应性质，这似乎相对不可能，这将得到以下量热数据的支持。就这种思路而言，唯一可能的解释是FNS附聚体只能在其表面发生反应;因此，附聚物未反应的内部部分将用作填充物。这在某种程度上预示着团聚物的内部不能有效地充当填料，因为团聚物主要由于范德华力而结合在一起。另一种可能的思维方式可以反过来，假设没有足够的Ca（OH）2在相对较晚的阶段与顺丰反应。然后，SF将以与聚集和未反应的FNS相同的方式行事。另一种可能的情况是，源自Ca（OH）反应的CSH凝胶2FNS减缓水和离子在混合物其他部分之间的扩散，从而减缓水合作用。这似乎得到了文献综述的支持，这意味着FNS添加的主要效果在后期（甚至可能超过90天）是可见的。上述所有假设都需要更多的研究。
等温量热的结果如图6所示。热流和热曲线所示。从获得的数据中可以清楚地看到凝固加速度，但是使用Aerosil 200观察到的早期水合作用加速高于0.25%。然而，从图6中给出的数据得出的主要结论是，FNS已经在诱导期发生反应并溶解。这是在上述修订版中不经常提到的。
参考复合材料断裂表面的BSEM图像如图7所示。图7中较大的可见颗粒是用钳子折断复合材料后粘附在表面上的灰尘等颗粒。在图7a的中间可以清楚地看到微粉砂的断裂表面，这是粘合剂和填料之间即使不添加Aerosil 200之间良好附着力的证据。然而，读者可以清楚地看到，尽管在图7b中的钢纤维上可以看到一些基质，但粘附在纤维上的基质量非常有限。
图7.参考复合材料断裂面的BSEM图像 （a）无钢纤维复合材料的断裂面;（b）钢纤维复合材料的断裂面。
添加了0.5%的Aerosil 200的复合断裂表面的BSEM图像如图8所示。图8中较大的可见颗粒是用钳子折断复合材料后粘在表面上的灰尘等颗粒。图8a中带有微粉化砂的断裂表面的BSEM图像几乎与图7a相同。更有趣的是图8b，其中可以清楚地看到有更多的基体粘附在纤维表面，这导致FNS的添加导致钢纤维和UHPC基体之间的结合强度增强的结论。
图8.添加了0.5%的Aerosil 200（a）不含钢纤维的复合材料的断裂表面的BSEM图像;（b）钢纤维复合材料的断裂面。
计算出的差分效率系数和具有标准偏差的平均剥落面积的结果总结在表5中。应该指出的是，参考复合材料的弹道测试使用了六个试样，因为有一个试样未能击中。可以从中收集所有数据的图像可以在附录A中看到。从表5中的数据可以看出，添加0.5%的Aerosil 200的复合材料的DEF略低于参考复合材料的DEF。标准偏差也高于参考复合材料的情况。然而，在添加0.5%的Aerosil 200的复合材料的情况下，平均剥落面积和标准偏差要低得多。这意味着，即使这种复合材料的整体弹道阻力降低，复合材料也应该在撞击自身附近的弹道方面提供更多的弹道保护。这反过来可能意味着添加FNS的复合材料在防弹方面提供了更高的耐用性。这可能是由于UHPC基体和钢纤维之间的粘合强度增加。然而，增加粘接强度会使UHPC更脆;因此，降低DEF的平均值。
可以说，在UHPC中添加FNS在增加UHPC的防弹性方面不如用刚玉或玄武岩等骨料代替部分二氧化硅丹有效[42]。它也不如使用钢和PP纤维混合物那么有益，由于与FNS相比，PP纤维更便宜，因此确实胜过将FNS用于弹道目的[35]。
FNS的添加对坍落度流动有负向影响，但混合体的大小、团聚物数量和混合物均质化对UHPC坍落度流动的关系应是未来研究的主题。还发现，添加FNS不会导致比重的显着增加，尽管添加0.5%的Aerosil 200的复合材料的比重始终高于任何其他复合材料的比重。
添加FNS会对机械性能产生积极和消极的影响。在我们的案例中，抗压强度略有降低主要归因于混合物中FNS的均匀性差。关于FNS水合的动力学也存在一些担忧，但这必须在未来进一步研究。FNS的添加可能对UHPC的早期弯曲强度略有好处，尽管应该说明的是，它在后期的弯曲强度方面几乎没有增加任何东西。
还观察到，FNS的添加加速了早期的水合作用，甚至在诱导期间开始溶解。热流和热量都得到了增强。
裂缝表面BSEM成像显示，FNS的加入增强了UHPC基体与钢纤维之间的粘结强度，但骨料与UHPC基体之间的粘结强度完全不受影响。钢纤维之间粘合强度的提高可用于解释这种复合材料的弹道性能。然而，当钢纤维与UHPC基体之间的粘结强度增强时，复合材料的脆性破坏存在一些担忧。
添加FNS会略微降低DEF的平均值并增加其标准偏差。另一方面，剥落区域的平均值和标准偏差都降低了，这可能意味着具有FNS的复合材料在多次近命中的弹道保护方面更耐用。然而，它在增加UHPC的弹道阻力方面并不像文献中提出的其他一些方法那样有效。
概念化，RN;形式分析，RN，L.B.和M.H.;调查，J.P.和M.H.;资源，RN;写作——原稿，D.M.;写作—审稿和编辑，法学学士;监督，RN所有作者均已阅读并同意已发表的手稿版本。
这项工作得到了教育、青年和体育部专项研究项目的支持。FCH-S-22-8012。
图 A1.从参考复合材料的DOP测试中获得的数据集;左边的数据用于获取参考复合材料的平均剥落面积，右边的数据用于计算DEF值。
图 A2.另一组数据来自参考复合材料的DOP测试;左边的数据用于获取参考复合材料的平均剥落面积，右边的数据用于计算DEF值。
图 A3.从参考复合材料的DOP测试中获得的数据集;左边的数据用于获取参考复合材料的平均剥落面积，右边的数据用于计算DEF值。
图 A4.从添加0.5%的Aerosil 200的复合材料的DOP测试中获得的数据集;左边的数据用于获取参考复合材料的平均剥落面积，右边的数据用于计算DEF值。
图 A5.另一组数据来自添加0.5%的Aerosil 200的复合材料的DOP测试;左边的数据用于获取参考复合材料的平均剥落面积，右边的数据用于计算DEF值。
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