基于CEM法摻納米材料混凝土斷裂韌度試驗(yàn)研究

楊茂軍

摘要：針對(duì)道路工程水泥混凝土路面斷板、斷角及脆裂等韌性不足的缺點(diǎn)，文章采用混凝土等效膠砂法成型等體積水泥膠砂試件，并在試件成型過(guò)程中添加納米SiO2與納米CaCO3材料取代等質(zhì)量水泥，經(jīng)28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后，通過(guò)三點(diǎn)彎曲梁法測(cè)得水泥膠砂試件的位移一荷載曲線及開(kāi)口位移（COD），用以計(jì)算雙K參數(shù)斷裂韌度。結(jié)果表明：摻1%納米SiO2與1%納米CaCO3的水泥膠砂試件具有較高的起裂韌度與失穩(wěn)韌度，可作為有效降低混凝土脆性的增韌外加組份。

關(guān)鍵詞：道路工程;混凝土;等效膠砂;納米材料;斷裂韌度

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.011

文章編號(hào)：1673-4874（2019）07-0032-03

0引言

目前，眾多專家學(xué)者對(duì)納米材料應(yīng)用于高強(qiáng)高性能混凝土中的研究較多，由于納米SiO2與納米CaCO3具備物理填充效應(yīng)及其晶核作用等，可在微一納觀層面改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)并促進(jìn)水泥水化以提高混凝土強(qiáng)度。然而，將納米材料應(yīng)用于道路水泥混凝土中的研究還比較少。為改善道路水泥混凝土的韌性并優(yōu)化其孔隙結(jié)構(gòu)，本文研究采用納米SiO2與納米CaCO3取代等質(zhì)量水泥作為制備混凝土的外加組份進(jìn)行斷裂韌度試驗(yàn)，計(jì)算并分析了摻納米材料的混凝土雙K參數(shù)斷裂韌度及納米材料的作用機(jī)制。研究可為改善道路工程中水泥混凝土路面韌性不足的缺點(diǎn)提供重要的技術(shù)參考。

1原材料與試驗(yàn)方案

研究采用水泥混凝土等效膠砂（ConcreteEquivalentMorta r，CEM）法，即通過(guò)計(jì)算粗骨料表面積而換算出等表面積的砂的質(zhì)量并直接以這部分砂取代粗骨料。選取P.042.5普通水泥（C）、標(biāo)準(zhǔn)砂（S）、聚羧酸系高效減水劑（A）以及自來(lái)水（W）制備水泥混凝土等效膠砂試件（以下簡(jiǎn)稱“等效試件”）。在等效試件的制備過(guò)程中，納米SiO2與納米CaCO3經(jīng)取代等水泥質(zhì)量后與細(xì)骨料及水泥一同攪拌并延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，再加入水與減水劑成型試件。試驗(yàn)配合比如表1所示。

等效試件以40mm×40mm×160mm（t×h×I）三聯(lián)模分層澆筑并振動(dòng)成型。需注意的是，每個(gè)三聯(lián)模樣槽內(nèi)長(zhǎng)邊均緊貼放置了一塊10mm×40mm×160mm（t×h×I）的有機(jī)玻璃板，并且在其跨中處也有一塊1mm×10mm×40mm（t×h×I）的有機(jī)玻璃板制作預(yù)制裂縫。等效試件成型后，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)3d后拆模并繼續(xù)存放于該養(yǎng)護(hù)室內(nèi)至養(yǎng)生時(shí)間達(dá)到28d。研究按照《DLT5332-2005水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》中三點(diǎn)彎曲梁法進(jìn)行等效試件斷裂韌度試驗(yàn)并進(jìn)行雙K參數(shù)計(jì)算。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

等效試件三點(diǎn)彎曲梁法斷裂韌度試驗(yàn)結(jié)果和雙K參數(shù)計(jì)算如表2所示。

2.1納米siO2對(duì)雙K參數(shù)的影響

圖1顯示了等效試件峰值荷載及其斷裂韌度隨納米SiO2摻量變化的規(guī)律。

由圖1可知，等效試件的起裂韌度與失穩(wěn)韌度均隨著納米SiO2摻量的提高而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)納米SiO2摻量分別為1%與2%時(shí)，等效試件失穩(wěn)韌度分別提高6.5%與13%;而當(dāng)納米SiO2摻量為4%時(shí)，失穩(wěn)韌度降低了11l 5%。其主要原因是納米SiO2物理填充效應(yīng)的顯著發(fā)揮，對(duì)等效試件孔結(jié)構(gòu)具有一定的改善作用，填充了毛細(xì)孔甚至納米級(jí)別的凝膠孔，使其更加密實(shí);另外，火山灰效應(yīng)與晶核作用共同發(fā)揮，使SiO2與Ca（OH）2生成了較多的低硅鈣比C-S-H凝膠;由于其比表面積較大，納米SiO2表面將生長(zhǎng)更多的C-S-H凝膠形成鏈狀或空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而這些凝膠晶體尺寸較小可填充在較大的孔縫中，因而從內(nèi)部增強(qiáng)了等效試件的強(qiáng)度并提高了彈性模量，試件變得更致密。然而，隨著納米SiO2摻量的提高，等效試件所承受的峰值荷載逐漸上升，當(dāng)其摻量到達(dá)4%時(shí)，峰值荷載明顯降低且低于CO組;同時(shí)，位移一荷載曲線在峰值荷載后的軟化曲線段提示，當(dāng)納米SiO2摻量超過(guò)1%后，試件在相同荷載作用下的豎向位移減小，意味著試件延性降低，脆裂現(xiàn)象將更不明顯。這主要是由于納米SiO2摻量較大時(shí)，其在減少水泥熟料含量的同時(shí)也吸收了大量水分，在制樣過(guò)程中易引入更多的空氣，最終形成較大的孔隙;另外，很多納米SiO2早期并未直接參與水化而是團(tuán)聚在一起形成一個(gè)薄弱區(qū)，在試件內(nèi)部形成了原生裂損，最終降低了試件內(nèi)部強(qiáng)度，從而造成脆性增大。因此，等效試件中納米SiO2摻量應(yīng)≤1%。

2.2納米GaGO3對(duì)雙K參數(shù)的影響

納米CaCO3摻量對(duì)等效試件峰值荷載及斷裂韌度的影響如圖2所示。

由圖2表明，納米CaCO3對(duì)等效試件的起裂韌度與失穩(wěn)韌度同樣有改善作用，1%的納米CaC03提高了9.5%的失穩(wěn)韌度，但隨著其摻量的提高，改善作用將呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng);4%的納米CaC03則降低了試件15.8%的失穩(wěn)韌度。其主要原因是單摻納米CaCO3時(shí)，由于其粒徑較小，可同樣有效地填充到試件內(nèi)部孔縫及水泥石中，提高材料的密實(shí)度;同時(shí)，由于納米CaCO3的微集料作用，改善了水泥與熟料顆粒的分布狀況，使熟料顆粒與水的接觸面更大，促進(jìn)水泥水化。另外，在相同摻量條件下，納米CaCO3體積比納米SiO2小，等效試件內(nèi)部產(chǎn)生原生裂損相對(duì)較少，而且相對(duì)較粗的未水化的納米CaCO3顆粒則在裂縫擴(kuò)展時(shí)發(fā)揮連接裂縫兩端漿體的作用，限制裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展并承受一部分豎向荷載，當(dāng)位移一荷載曲線經(jīng)過(guò)峰值荷載后，延長(zhǎng)了豎向位移并延緩荷載的下降趨勢(shì)，提高了試件的延性。然而隨著納米CaCO3摻量的增加，等效試件的峰值荷載先增大而后持續(xù)下降，這表明其所承受的最大荷載在逐步降低，且在相同荷載條件下，軟化曲線段也越來(lái)越陡，表明試件脆性在逐漸加大。這主要是由于過(guò)多的納米CaCO3易團(tuán)聚產(chǎn)生薄弱區(qū)，并由于其與c3A反應(yīng)生成的水化碳鋁酸鈣包裹在熟料顆粒周圍與過(guò)多納米CaCO3附著在熟料顆粒表面，阻止了熟料與水的接觸，從而降低了等效試件內(nèi)部強(qiáng)度并且形成了十分脆弱的界面。因此，納米CaCO3的摻量也應(yīng)≤1%。

2.3納米siO2與納米GaGO3耦合對(duì)雙K參數(shù)的影響

納米材料耦合作用對(duì)等效試件峰值荷載及斷裂韌度的影響如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)兩種納米材料摻量均較低時(shí)，等效試件斷裂韌度均有顯著提高，1%納米SiO2與1%納米CaCO3提高了試件36.2%的失穩(wěn)韌度，同時(shí)提高了11.9%的峰值荷載，并大幅提高了軟化曲線段所對(duì)應(yīng)的豎向位移。與各納米材料單摻1%時(shí)相比，在提高等效試件斷裂韌度上起到了“1+1>2”的納米超疊作用，對(duì)等效試件韌性起到了極大的改善作用。這主要因?yàn)閮煞N納米材料均未超過(guò)各自的最優(yōu)摻量，從納米級(jí)的凝膠孔到試件內(nèi)部的粗孔縫，大部分都被納米材料所填充并充當(dāng)晶核繼而促進(jìn)火山灰反應(yīng)，從內(nèi)部大大改善了試件密實(shí)度，降低了平均孔徑。然而當(dāng)兩種納米材料摻量均為2%時(shí)，等效試件失穩(wěn)強(qiáng)度僅提高6.1%，峰值荷載提升不明顯，說(shuō)明兩者的摻量均不宜過(guò)高。其原因是兩種納米材料在相同水膠比條件下，吸附了較多的自由水，同時(shí)在等效試件內(nèi)部發(fā)生了部分團(tuán)聚現(xiàn)象并造成了薄弱區(qū)的產(chǎn)生，雖然兩者的超疊效應(yīng)仍然在發(fā)揮作用，但已被自身帶來(lái)的原生缺陷大幅削弱，因此納米材料在較高的摻量下，對(duì)等效試件斷裂韌度的改善有限。

綜上所述，研究建議在水泥混凝土等效膠砂試件中，為更好地發(fā)揮納米材料的物理填充效應(yīng)、火山灰效應(yīng)以及晶核作用，當(dāng)單摻納米SiO2或單摻納米CaCO3時(shí)，摻量均應(yīng)≤1%;而當(dāng)復(fù)摻納米材料時(shí)，1%納米SiO2與1%納米CaCO3耦合對(duì)改善斷裂韌性效果更好。

3結(jié)語(yǔ)

納米SiO2與納米CaCO3對(duì)水泥混凝土等效膠砂的斷裂韌度都具有一定的改善效果，無(wú)論二者是單摻還是復(fù)摻，等效試件的峰值荷載、起裂韌度及失穩(wěn)韌度基本上隨著納米材料的摻量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但過(guò)高的納米材料摻量將大幅削弱該韌性改善作用甚至最終提高試件的脆性。研究推薦1%納米SiO2與1%納米CaCO3作為道路混凝土外加增韌組份，以改善斷裂韌性而降低脆性。