納米SiO2和鋼纖維增強(qiáng)混凝土抗凍和抗裂性能

張 鵬， 趙士坤， 常海召， 陳繼周， 庾宏亮

(1. 鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 河南 鄭州 450001； 2. 三門峽市昌通路橋建設(shè)有限責(zé)任公司， 河南 三門峽 472000)

隨著當(dāng)今材料科學(xué)的發(fā)展，納米材料憑著其獨(dú)特的物理化學(xué)性能，已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，用于制備具有各種特殊用途的建筑材料。納米SiO2摻入水泥基建筑材料中，可顯著改善水泥基建筑材料基體的性能。在各種納米材料中，納米SiO2具有更高的火山灰活性，可與分布在水泥基材料基體和骨料之間界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)中的Ca(OH)2晶體反應(yīng)，生成C-S-H凝膠。因而，水泥基材料內(nèi)的Ca(OH)2晶體數(shù)量會(huì)顯著減少，從而提高了硬化水泥石基體的強(qiáng)度[1]。國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)納米SiO2改性混凝土材料進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明，納米SiO2的摻入可明顯改善混凝土中水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)性能以及骨料與水泥漿體之間的界面性能，顯著提高混凝土的早期抗壓、抗拉和抗折強(qiáng)度，提高混凝土的耐磨性能和疲勞性能，對(duì)混凝土構(gòu)件起到減振作用[2～4]。

眾所周知，混凝土存在抗拉強(qiáng)度低、韌性差、可靠性低和開裂后裂縫寬度難以控制等缺陷，使得許多結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中甚至是建設(shè)過(guò)程中就出現(xiàn)了許多不同程度、不同形式的裂縫。目前的相關(guān)成果表明，為了彌補(bǔ)水泥混凝土的上述缺點(diǎn)，最有效的方法是在其中添加均勻分布的、密集的、長(zhǎng)徑比適宜的鋼纖維[5]。鋼纖維的摻入可改善混凝土的力學(xué)性能，并能有效地提高混凝土的彎曲韌性和斷裂韌性[6～8]。將納米SiO2和鋼纖維同時(shí)摻入混凝土中，可發(fā)揮納米SiO2和鋼纖維對(duì)混凝土基本力學(xué)性能、韌性和耐久性的協(xié)同增強(qiáng)作用。然而，目前關(guān)于同時(shí)摻加納米SiO2和鋼纖維混凝土的耐久性研究資料較少，本文通過(guò)混凝土抗凍性試驗(yàn)和抗裂性試驗(yàn)研究納米SiO2和鋼纖維增強(qiáng)混凝土的耐久性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用新鄉(xiāng)孟電水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用洛陽(yáng)首陽(yáng)山發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰，細(xì)度為9.22%(45 μm方孔篩余)；粗骨料采用最大粒徑為20 mm的碎石；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.6的河砂；納米材料采用杭州萬(wàn)景新材料有限公司生產(chǎn)的納米SiO2，納米SiO2的比表面積為200 m2/g，表觀密度為55 g/L，平均粒徑為30 nm，納米SiO2外觀如圖1所示；鋼纖維采用河南禹建鋼纖維公司生產(chǎn)的銑銷型鋼纖維,長(zhǎng)度為32 mm，等效直徑為0.56 mm,長(zhǎng)徑比為57.1,抗拉強(qiáng)度為800 MPa，鋼纖維外觀如圖2所示；減水劑采用星辰化工有限公司生產(chǎn)的高效減水劑，減水率為14%。

圖1 試驗(yàn)用納米SiO2

圖2 試驗(yàn)用鋼纖維

1.2 試驗(yàn)安排與試件制備

以標(biāo)號(hào)C50混凝土為基準(zhǔn)配合比，保持水灰比和用水量不變，分別選取5種鋼纖維摻量(0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%)，5種納米SiO2摻量(1%，3%，5%，7%，9%)，鋼纖維摻量為體積摻量，采用外摻法加入，納米SiO2摻加方式為等質(zhì)量取代水泥。共11組配合比，試驗(yàn)編號(hào)3-0表示納米SiO2的質(zhì)量摻量為基準(zhǔn)配合比中水泥和粉煤灰總質(zhì)量的3%，鋼纖維的體積摻量為0；試驗(yàn)編號(hào)5-1.5表示納米SiO2的質(zhì)量摻量為5%，鋼纖維的體積摻量為1.5%。本文試驗(yàn)配合比具體安排如表1所示。

表1 混凝土配合比

1.3 混凝土凍融試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用快凍法，快凍法適用于水凍水融條件下對(duì)混凝土抗凍性的測(cè)試，混凝土的抗凍性能用試件能經(jīng)受凍融循環(huán)的次數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)[9]?；炷羶鋈谠囼?yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件。試件澆筑24 h后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 d后取出，浸泡于20±2 ℃的水中，浸泡時(shí)，水面要高出試件的上表面至少20 mm。試件浸泡4 d后進(jìn)行稱重和動(dòng)彈性模量測(cè)試，然后將試件裝入試件盒中，放入凍融試驗(yàn)箱內(nèi)。在試件盒中加水至高出試件10～20 mm，測(cè)溫試件盒內(nèi)加入防凍液。將溫度傳感器分別插入測(cè)溫試件和防凍液中。此時(shí)可以啟動(dòng)試驗(yàn)，每次凍融循環(huán)時(shí)間應(yīng)控制在2～4 h內(nèi)?；炷羶鋈谠囼?yàn)裝置如圖3所示。

圖3 凍融試驗(yàn)裝置

1.4 混凝土抗裂試驗(yàn)

混凝土收縮試驗(yàn)采用的正方形塊狀試件，試件模具尺寸為600 mm×600 mm×63 mm，模具的每個(gè)邊用角鋼制成，四邊外側(cè)焊加勁肋以提高模具的剛度[10]。模具每邊上下交錯(cuò)地分兩排固定14根長(zhǎng)度100 mm的φ10螺栓(螺紋通長(zhǎng))伸向錨具內(nèi)側(cè)，這樣布置是為了使裝入的混凝土能被振搗密實(shí)。在試件模具底板的上面鋪設(shè)一層摩阻低的玻璃鋼片材[11]。按預(yù)定配合比拌和混凝土，每個(gè)配合比澆筑2個(gè)試件。試件澆筑后，振搗密實(shí)、抹平，隨即在表面覆蓋塑料薄膜，保持環(huán)境溫度20±1 ℃，2 h后取下塑料膜，用風(fēng)扇吹混凝土表面，風(fēng)速為8 m/s。同時(shí)在試件上方安裝碘鎢燈照射混凝土表面，混凝土抗裂性試驗(yàn)裝置如圖4所示。注意觀察，記錄下試件的初裂時(shí)間、裂縫長(zhǎng)度、裂縫寬度、裂縫條數(shù)，并計(jì)算以下參數(shù)：

圖4 抗裂試驗(yàn)裝置

裂縫的平均開裂面積：

(1)

單位面積的裂縫條數(shù)：

(2)

單位面積上的總開裂面積：

C=ab(mm2/m2)

(3)

式中：Wi為第i條裂縫的最大寬度(mm)；Li為第i條裂縫的長(zhǎng)度(mm)；N為總裂縫條數(shù)；A為平板試件面積，取0.36 m2。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

所有配合比納米混凝土凍融試驗(yàn)和抗裂性試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 凍融試驗(yàn)和抗裂性試驗(yàn)結(jié)果

2.1 納米混凝土的抗凍性能

圖5給出了隨著納米SiO2摻量增加，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量變化規(guī)律，可以看出納米SiO2摻量為3%時(shí)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量最高，25次凍融循環(huán)后，摻量為3%的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量比基準(zhǔn)混凝土提高了4.8%，當(dāng)納米SiO2摻量超過(guò)3%時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量隨著納米SiO2摻量的增加而逐漸降低，當(dāng)納米SiO2摻量為9%時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量達(dá)到最小值，以25次凍融循環(huán)后為例，納米SiO2摻量為9%的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量比摻量3%時(shí)降低了12.8%，比基準(zhǔn)混凝土降低了8.6%。

圖5 納米二氧化硅摻量對(duì)混凝土抗凍性能的影響

混凝土凍融破壞是因?yàn)榇嬖谟诨炷羶?nèi)部的縫隙充滿水，在凍融循環(huán)作用下，水結(jié)冰后體積變大致使裂縫變大，混凝土發(fā)生破壞。摻入混凝土內(nèi)的納米SiO2能起到填充作用，可填充至混凝土基體內(nèi)的微小縫隙，使混凝土內(nèi)部缺陷減少，混凝土試件的密實(shí)度得到提高[12]。此外，納米SiO2會(huì)與水泥水化生成的Ca(OH)2反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，C-S-H凝膠可提高混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)度。上述作用減少了混凝土內(nèi)部的裂縫數(shù)量，減小了裂縫的尺度，對(duì)提高混凝土的抗凍性有利。但是隨著納米SiO2摻量的增加，過(guò)量的納米SiO2會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，也會(huì)消耗大量的水，在沒有充足的水分保證水泥水化作用的情況下，混凝土內(nèi)部缺陷會(huì)增多，導(dǎo)致質(zhì)量下降，抗凍性能減弱。

2.2 鋼纖維納米增強(qiáng)混凝土抗凍性能

圖6給出了鋼纖維增強(qiáng)納米混凝土抗凍試件經(jīng)受不同次數(shù)凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化，從圖中可看出凍融循環(huán)50(含)次之前各組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量基本相近，凍融循環(huán)至50次時(shí)各組試件相對(duì)動(dòng)彈性模量明顯降低。凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到75時(shí)，各組試件相對(duì)動(dòng)彈性模量出現(xiàn)明顯差異，隨著鋼纖維摻量的增加試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量呈逐漸增大趨勢(shì)，5-2.5試件相對(duì)動(dòng)彈性模量比5-0試件高59.2%。凍融循環(huán)至100次時(shí)5-0和5-0.5試件被破壞，試件5-2.5相對(duì)動(dòng)彈模仍然最高。

圖6 鋼纖維摻量對(duì)納米混凝土抗凍性能的影響

相對(duì)動(dòng)彈性模量值反映了凍融循環(huán)對(duì)混凝土密實(shí)度的影響，由本試驗(yàn)可知隨著鋼纖維摻量的增加，納米混凝土的抗凍性能不斷提高。水泥漿體包裹住摻入的鋼纖維，增強(qiáng)了基體與鋼纖維的粘結(jié)性，延遲并阻滯了混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)生和發(fā)展，從而更好地約束內(nèi)部裂縫。當(dāng)混凝土內(nèi)部裂縫充水受凍后膨脹會(huì)使裂縫繼續(xù)變大，橫在裂縫處的鋼纖維會(huì)起到約束作用，阻止裂縫變大。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，包裹粗集料的砂漿會(huì)不斷剝落，粗集料剝落、試件破壞。圖7，8分別為配合比5-1和5-2.5試件經(jīng)25次凍融循環(huán)后的外觀圖，從圖中可以看出，凍融循環(huán)25次后鋼纖維摻量為2.5%的混凝土外觀要明顯優(yōu)于鋼纖維摻量為1%的試件。

圖7 配比5-1試件凍融循環(huán)25次后外觀

圖8 配比5-2.5試件凍融循環(huán)25次后外觀

2.3 納米混凝土的抗裂性能

圖9為納米二氧化硅對(duì)混凝土抗裂性能影響曲線，由圖可以看出，隨著納米SiO2摻量的增加，單位面積上的總開裂面積呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。納米SiO2摻量從0增加到3%過(guò)程中，試件的開裂面積急劇下降，從7266.7 mm2減小到812.2 mm2，減小了88.8%；納米SiO2摻量從3%增加到7%過(guò)程中，開裂面積在800 mm2上下浮動(dòng)，變化不大，摻量在5%時(shí)開裂面積達(dá)到最小777.8 mm2；隨著納米SiO2摻量繼續(xù)增大到9%時(shí)，試件的開裂面積為1336.1 mm2，比摻量為5%時(shí)增加了71.8%。混凝土抗裂試件的裂縫數(shù)目隨著納米SiO2摻量的增加先減少后增加，不摻納米材料時(shí)裂縫為10條，摻量為7%時(shí)裂縫為3條，繼續(xù)增加摻量裂縫數(shù)量增加到5條。納米材料摻量為5%和7%時(shí)，試件的開裂面積相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土大幅度降低，并且5-0、7-0試件開裂面積相差44.4 mm2，相比于基準(zhǔn)試件的開裂面積很微小。由此可見，納米SiO2在摻量為5%到7%之間時(shí)，抑制混凝土收縮、阻裂方面的效果較明顯。

圖9 納米二氧化硅對(duì)混凝土抗裂性能的影響

混凝土澆筑后，早期收縮主要是塑性收縮和化學(xué)收縮。水泥水化反應(yīng)過(guò)程中生成的Ca(OH)2對(duì)提高混凝土的強(qiáng)度不利，而在拌合物中加入納米SiO2后，納米SiO2可與Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠，消耗部分Ca(OH)2，從而可降低Ca(OH)2對(duì)混凝土的不利影響。生成的水化硅酸鈣凝膠也可使混凝土變得更密實(shí)，提高混凝土的早期強(qiáng)度，降低了裂縫出現(xiàn)的可能。納米SiO2粒徑極小，比水泥粒徑小100倍以上，摻入的納米SiO2均勻分布在混凝土中，填充了水泥顆粒間的空隙。當(dāng)發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)，水化產(chǎn)物的絕對(duì)體積比反應(yīng)前各組份的體積小，會(huì)發(fā)生化學(xué)收縮(自收縮)，納米SiO2的存在一定程度上抑制了水化產(chǎn)物的收縮，降低了裂縫出現(xiàn)的可能[13]。為了保證混凝土的工作性，混凝土流動(dòng)性必須滿足要求，這就導(dǎo)致試件在振實(shí)、抹平后，表面會(huì)出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。由于水分蒸發(fā)，表面的失水速率大于水分從內(nèi)部向表面遷移的速率，便出現(xiàn)收縮。由于納米SiO2的比表面積較大，納米SiO2會(huì)吸收混凝土中的部分自由水，從而降低了塑性收縮量，降低了裂縫出現(xiàn)的可能。但過(guò)量的納米SiO2會(huì)吸收大量的水分，使混凝土表面不會(huì)出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，當(dāng)混凝土表面與空氣中接觸時(shí)，由于沒有不斷泌出水分的補(bǔ)充，混凝土表面水份蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致塑性收縮發(fā)展，加入過(guò)量的納米SiO2會(huì)增大裂縫產(chǎn)生的概率。

2.4 鋼纖維納米增強(qiáng)混凝土抗裂性能

圖10為鋼纖維摻量對(duì)納米混凝土抗裂性能影響曲線，由圖可以看出，隨著鋼纖維體積摻量的增加，納米混凝土抗裂試件的裂縫條數(shù)和開裂面積逐漸降低。鋼纖維摻量從0增加至0.5%過(guò)程中，試件的開裂面積從777.8 mm2降低到248.3 mm2，降低了68.1%。鋼纖維摻量為2.5%時(shí)開裂面積僅為44.4 mm2，與基準(zhǔn)配比試件5-0相比有大幅降低。未摻鋼纖維的納米混凝土試件裂縫條數(shù)為5，隨著鋼纖維的摻入，裂縫條數(shù)有所減小。鋼纖維體積摻量從0.5%增大到1.5%，試件裂縫條數(shù)保持4條不變。鋼纖維體積摻量繼續(xù)增大到2%，裂縫條數(shù)由4條減小至2條。

圖10 鋼纖維摻量對(duì)納米混凝土抗裂性能的影響

雖然鋼纖維在混凝土中體積率較小，但是摻入的鋼纖維會(huì)在混凝土基體中亂向分布形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加了和混凝土的接觸面積，能夠有效阻止混凝土的開裂。當(dāng)混凝土內(nèi)部應(yīng)力超出鋼纖維所能承受的范圍基體出現(xiàn)開裂后，橫跨在裂縫上的鋼纖維起到了橋聯(lián)作用，可抑制裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，增強(qiáng)了混凝土韌性，提高了抗疲勞開裂性能。圖11，12分別為摻加鋼纖維后納米混凝土平板試件表面，從圖中可看出，摻加鋼纖維后，納米混凝土試件表面裂縫條數(shù)和裂縫面積明顯減少。納米SiO2的存在，提高了鋼纖維和混凝土基體之間的粘結(jié)性能，有利于鋼纖維更好發(fā)揮其抗裂阻裂作用。從微觀層面分析，混凝土在受到外力作用時(shí)，粗細(xì)骨料會(huì)發(fā)生位移或有移動(dòng)趨勢(shì)，鋼纖維的存在減小了這種位移，并將力傳遞到臨近的骨料顆粒，使混凝土內(nèi)部受力更加均勻，降低了裂縫出現(xiàn)的概率。

圖11 未摻鋼纖維納米混凝土

圖12 鋼纖維增強(qiáng)納米混凝土

3 結(jié) 論

納米SiO2在一定摻量范圍內(nèi)可以提高混凝土的抗凍性能和抗裂性能，但過(guò)量的納米SiO2會(huì)使混凝土內(nèi)部缺陷增多，抗凍性能下降，不利于混凝土抗裂性能的提高。隨著納米SiO2摻量的增大，混凝土的抗凍性能和抗裂性能呈現(xiàn)先增強(qiáng)后降低的趨勢(shì)。鋼纖維的摻入顯著提高了納米混凝土的抗凍性能和抗裂性能，在本試驗(yàn)鋼纖維摻量范圍內(nèi)，隨著鋼纖維體積摻量的增大，抗凍試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量呈增大趨勢(shì)，抗裂試件單位面積的裂縫條數(shù)和開裂面積都逐漸減小，納米混凝土的抗凍性能和抗裂性能均逐漸增強(qiáng)。

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