鋼纖維納米SiO2混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

陳 剛，高丹盈，王 東，李 琛

（1.鄭州大學(xué) 新型建材與結(jié)構(gòu)研究中心，河南 鄭州 450002；2.湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司，湖北 武漢 430034）

普通混凝土因其強(qiáng)度相對較低、極限延伸率小、性脆、抗?jié)B效果較差等缺點(diǎn)，在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有一定的局限性.利用微觀和細(xì)觀復(fù)合化是改善混凝土性能的重要手段.細(xì)觀復(fù)合是在普通混凝土中引入亂向分布的短纖維，由于纖維自身的抗拉強(qiáng)度大、延伸率大，使混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊強(qiáng)度及延伸率和韌性都得以提高[1].微觀復(fù)合是將微觀尺度的物質(zhì)摻加到混凝土當(dāng)中，利用其小尺寸、量子尺寸、表面及界面效應(yīng)，從微觀結(jié)構(gòu)、水化效率和界面性能等方面的改善賦予普通混凝土更高的性能.

因此，細(xì)觀復(fù)合和微觀復(fù)合和在各自層次上作用機(jī)理是不相同的.那么，通過微觀和細(xì)觀的共同復(fù)合來進(jìn)一步提高混凝土性能就成為了建筑復(fù)合材料發(fā)展過程中的一個(gè)新的研究方向.為此，筆者將鋼纖維和納米材料共同加入到混凝土當(dāng)中，試驗(yàn)研究了鋼纖維體積分?jǐn)?shù)、納米材料替代水泥質(zhì)量對混凝土抗壓和劈拉強(qiáng)度的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料為級配良好的天然中河砂，細(xì)度模數(shù)2.7；粗骨料為級配連續(xù)的天然石灰石碎石，粒徑5～20mm；貝卡爾特切斷弓形鋼纖維：公稱直徑0.55±10%mm，長度35±10%mm，抗拉強(qiáng)度1345±15%MPa；納米SiO2：主含量 99.5%，白色粉末狀，平均粒徑為30 nm，比表面積200±10m2/g，表觀密度40～60 g/L，pH值5～7，灼燒失重6%；外加劑為聚羧酸高效減水劑.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)、納米SiO2的摻量（替代水泥質(zhì)量的比率）作為變化參數(shù)研究鋼纖維納米混凝土的抗壓及劈拉強(qiáng)度.鋼纖維體積分?jǐn)?shù)從0.0%到1.5%；納米SiO2摻量從0.0%到2.0%.試驗(yàn)參數(shù)變化組合以及混凝土的配合比如表1所示.

納米SiO2的摻加方式不同，對混凝土基體強(qiáng)度的影響效果也不同，將納米材料摻入減水劑后作用于混凝土的效果要優(yōu)于作為摻合料直接用于混凝土，摻入減水劑的方式既解決了納米材料的聚團(tuán)問題，又可減小減水劑的用量[2].因此，本試驗(yàn)中納米材料的摻加方式為：將納米SiO2分散于水中后摻入減水劑混合均勻，然后與鋼纖維一起倒入水泥、砂、石的拌合物中攪拌.

鋼纖維納米混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080-2002）和《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（CECS13-2009）要求制作邊長為150mm的立方體試件，每組3個(gè)試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d后按上述規(guī)程規(guī)定的試驗(yàn)方法測試.

表1 試驗(yàn)參數(shù)變化組合及混凝土配合比Table 1 Experimentalparametersandm ix proportion of concrete

2 鋼纖維納米混凝土的抗壓強(qiáng)度

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)象

普通混凝土試塊在達(dá)到極限荷載時(shí)，外圍混凝土伴隨著巨響突然爆裂，荷載迅速歸零，僅存有核心的楔形殘余部分.鋼纖維摻入到混凝土以后，極限荷載后仍存有不同程度的殘余強(qiáng)度，并且能夠明顯聽到試件受到擠壓以及鋼纖維脫離混凝土?xí)r發(fā)出的響聲，同時(shí)觀察到試件表面有多條縱向裂縫，但結(jié)構(gòu)相對完整，呈現(xiàn)出一定的塑性特征.納米SiO2的摻入以及摻量的增加并沒有改變混凝土的破壞現(xiàn)象及特征.

2.2 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對抗壓強(qiáng)度的影響

鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)與鋼纖維納米混凝土的抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示.由圖1知，鋼纖維納米混凝土的抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而得到相應(yīng)的增強(qiáng).鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為52.16 MPa，相對0.0%鋼纖維體積分?jǐn)?shù)試件的抗壓強(qiáng)度，增幅達(dá)到16.40%；鋼纖維體積分?jǐn)?shù)增加至1.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為53.35 MPa，相對于前者增幅減緩，增幅為19.06%；當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度又較大幅度地提高至58.68MPa，增幅29.03%.

對文獻(xiàn)[3-5]中普通強(qiáng)度混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)在0.0%～1.5%時(shí)，鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度最大提高25%左右，且往往在此體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)存在強(qiáng)度峰值.對于普通混凝土而言，基體的密實(shí)度決定了最終的抗壓強(qiáng)度，較多的鋼纖維摻入以后，鋼纖維比表面積增加但缺乏足夠的漿體包裹與填充，也由于在成型過程中攪拌振搗不實(shí)等人為因素造成鋼纖維混凝土密實(shí)度下降，致使鋼纖維摻量增加到一定程度后抗壓強(qiáng)度降低.本文試驗(yàn)中摻入鋼纖維的同時(shí)又摻加了1%的納米SiO2.納米SiO2的極小顆粒有效地填充了漿體，細(xì)化了鋼纖維在基體中引入的微小缺陷，另外納米SiO2能夠促進(jìn)水泥漿體水化生成C-S-H膠凝，改善了水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，提高了水泥基體的密實(shí)度[6-8]，是鋼纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%仍取得較大強(qiáng)度增長的關(guān)鍵所在.

2.3 納米材料摻量對抗壓強(qiáng)度的影響

圖2給出了不同納米SiO2摻量與鋼纖維納米混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系.由圖2可知，在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)同為1%的情況下，隨著納米SiO2摻量增加，試塊的強(qiáng)度緩慢增長.相對于不摻納米材料的鋼纖維混凝土，當(dāng)摻量從0.5%增加到2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度從50.27MPa提高至58.68MPa，增幅范圍為4.73～16.73%.

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，納米SiO2摻量越高，混凝土的抗壓強(qiáng)度的提高幅度也就越大.更多的納米SiO一方面可以更大程度上地填充水泥基復(fù)合材料的微小孔隙，提高密實(shí)度；另一方面，更有效地細(xì)化了界面中的Ca(OH)2晶粒并充分吸收了界面富集的Ca(OH)2晶體，減小了Ca(OH)2含量[8]，進(jìn)一步提高了水化效率，這對混凝土抗壓強(qiáng)度的增長是有利的.

3 鋼纖維納米混凝土的劈拉強(qiáng)度

3.1 劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)象

普通混凝土在達(dá)到初裂荷載后，伴隨著脆響荷載迅速下降，試件隨即沿中線被劈開為兩半.鋼纖維混凝土在產(chǎn)生初裂以后荷載并未立即達(dá)到極限，破壞面的兩側(cè)仍然依靠裂縫間的鋼纖維連接成為一個(gè)整體，持續(xù)荷載作用下，鋼纖維從基體間緩慢被拔出，隨著裂縫逐漸增大，拔出端鋼纖維的彎鉤被拉直，鋼纖維的存在進(jìn)一步提高了極限荷載.試驗(yàn)過程中同樣未發(fā)現(xiàn)納米SiO2的摻入及摻量變化對混凝土破壞現(xiàn)象及特征的改變.

3.2 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對劈拉強(qiáng)度的影響

鋼纖維體積分?jǐn)?shù)與劈拉強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示.由圖1可知，隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，劈拉強(qiáng)度也相應(yīng)的呈增長態(tài)勢.當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.5%，1.0%，1.5%時(shí)，對應(yīng)的劈拉強(qiáng)度值分別為3.94 MPa，4.80MPa，6.76MPa，相比于0.0%鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的試件強(qiáng)度，提高了71%，108%和193%.

我國《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS：38-2004）規(guī)定，鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為：

利用式 (1)和式 (2)對本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到鋼纖維對納米混凝土的劈拉強(qiáng)度影響系數(shù)為1.945，與試驗(yàn)值的相關(guān)系數(shù)為0.980．《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS：38-2004》在試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上通過規(guī)律性分析，取切斷弓形鋼纖維對普通混凝土的強(qiáng)度影響系數(shù)為0.793 4．為了將普通鋼纖維混凝土與鋼纖維納米混凝土的鋼纖維增強(qiáng)效果進(jìn)行比對，在采用上述規(guī)程提出的影響系數(shù)基礎(chǔ)上，本文將試驗(yàn)得出的不摻納米材料試件的劈拉強(qiáng)度代入式 (1)和式 (2)中，得到普通混凝土的劈拉強(qiáng)度計(jì)算值，并將計(jì)算結(jié)果與納米混凝土劈拉強(qiáng)度計(jì)算值進(jìn)行比較，如圖3所示．可見，在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)相同的情況下，納米混凝土劈拉強(qiáng)度的提高幅度遠(yuǎn)大于普通混凝土.因此可以認(rèn)為，在劈拉性能方面，納米材料的摻入對鋼纖維作用效率的提高具有很大的幫助.

3.3 納米材料摻量對劈拉強(qiáng)度的影響

圖2為不同納米SiO2摻量與鋼纖維納米混凝土劈拉強(qiáng)度的關(guān)系.由圖2可知，納米SiO2摻量在0.5%時(shí)，劈拉強(qiáng)度達(dá)到最大，為5.16MPa，增幅9.09%；當(dāng)納米SiO2摻加至2%時(shí)，劈拉強(qiáng)度又逐步減小至4.72MPa，接近SiO2摻量為0%時(shí)的劈拉強(qiáng)度.

適量納米SiO2的摻入改善了基體與鋼纖維的界面過渡區(qū)，提高了兩者之間的粘結(jié)性能，使鋼纖維從基體中拔出需要消耗更多的能量，這是鋼纖維納米混凝土劈拉強(qiáng)度提高的一個(gè)因素.同時(shí)，由于本文試驗(yàn)采用的是將納米SiO2替代等質(zhì)量的水泥質(zhì)量作為研究對象，水泥的膠結(jié)性能也是影響混凝土抗拉強(qiáng)度的一個(gè)重要原因，而納米SiO2本身并不具有膠結(jié)特性，只是從微觀上間接地提高混凝土的抗拉性能，且界面改善作用十分有限.因此，當(dāng)納米材料替代水泥質(zhì)量的增多，并不會(huì)更進(jìn)一步地增強(qiáng)鋼纖維混凝土的抗拉性能.

4 結(jié)論

1）鋼纖維摻入到納米混凝土后，試件的破壞形態(tài)由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐模箟簭?qiáng)度隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的提高而逐漸增大.鋼纖維體積分?jǐn)?shù)增加至1.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高29.03%.

2）鋼纖維可大幅提高納米混凝土劈拉強(qiáng)度，隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，作用效果愈加明顯.鋼纖維體積分?jǐn)?shù)增加至1.5%時(shí)，劈拉強(qiáng)度提高193%，對納米混凝土劈拉強(qiáng)度的影響系數(shù)為1.945.

3）納米SiO2摻量的增多，鋼纖維納米混凝土的抗壓與劈拉強(qiáng)度都有一定程度的提高.當(dāng)納米SiO2摻加至2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高16.73%.但納米SiO2摻量大于0.5%時(shí)，劈拉強(qiáng)度沒有得到進(jìn)一步增長.

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