納米碳酸鈣和聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土抗彎拉性能

張 鵬， 楊永輝， 亢洛宜， 張?zhí)旌?/p>

(鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450001)

混凝土具有抗壓強(qiáng)度高、剛度大、強(qiáng)度等級(jí)范圍寬等特點(diǎn)。基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展使混凝土材料的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,也推動(dòng)了混凝土材料朝著高耐久性、高工作性、高強(qiáng)度、可持續(xù)發(fā)展和智能化等方面發(fā)展。然而混凝土抗拉強(qiáng)度低,收縮變形大和脆性高的特點(diǎn),一直限制著混凝土在特殊結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的使用,也降低了混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限,為此可在混凝土中摻加適量短纖維材料。在各種纖維材料中,PVA纖維由于具有較高的強(qiáng)度和彈性模量以及較好的耐磨性和抗酸堿,在混凝土中的應(yīng)用越來越廣泛。納米CaCO3摻入普通硅酸鹽水泥中可促進(jìn)水泥水化和Ca(OH)2的生成,提高水泥水化速度,將其摻入混凝土中可改善混凝土基體的微觀結(jié)構(gòu),提升混凝土的力學(xué)性能[1]。在混凝土中摻入適量的粉煤灰,可以改善混凝土拌和物的和易性,提高混凝土的后期強(qiáng)度,也可以提高混凝土抗?jié)B性、耐磨性等耐久性。然而在混凝土中摻加大量粉煤灰會(huì)導(dǎo)致其早期強(qiáng)度和抗彎拉性能降低。為解決這一問題,可在混凝土中摻加適量納米粒子。

Noushini等[2]在混凝土中摻入0.25%和0.5%體積劑量的PVA纖維,通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了PVA纖維對(duì)混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,PVA纖維能提高混凝土的抗彎拉強(qiáng)度和其他力學(xué)性能。鄧宗才等[3]在混凝土中摻加PP(聚丙烯)纖維和不同摻量的PVA纖維,通過小梁三分點(diǎn)加載試驗(yàn)探究了PVA纖維對(duì)混凝土彎曲性能的影響,結(jié)果表明,PVA纖維顯著增強(qiáng)了混凝土的彎曲韌性和抗變形能力,當(dāng)PP纖維和PVA纖維體積摻量都為0.1%時(shí),混凝土抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。黃正宇等[4]在超高性能混凝土中摻加2%的納米CaCO3,通過試驗(yàn)并借助微觀測(cè)試手段,研究了納米CaCO3對(duì)超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)水化產(chǎn)物和力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,納米CaCO3摻入U(xiǎn)HPC后,UHPC的強(qiáng)度明顯提高,納米CaCO3的摻入對(duì)UHPC水化產(chǎn)物含量和特性都有顯著影響。目前,混凝土相關(guān)的研究成果中,有關(guān)納米CaCO3和PVA纖維增強(qiáng)混凝土抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉彈性模量的成果較缺乏,因此,在系統(tǒng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,研究了納米CaCO3和 PVA纖維分別單摻或復(fù)摻時(shí)對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉彈性模量的影響。相關(guān)成果可為促進(jìn)納米CaCO3和PVA纖維增強(qiáng)混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概述

1.1 原材料

水泥:采用P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料:河砂,表觀密度為為2.65 g/m3,細(xì)度模數(shù)為2.91,吸水率為0.38%；粗骨料:花崗巖碎石,最大粒徑為20 mm,密度為1 653 kg/m3,比重為2.64；高效減水劑:減水率為22%；粉煤灰:一級(jí)粉煤灰,密度為2.13 g/cm3,比表面積為2 464 cm2/g；納米CaCO3:呈白粉末狀,CaCO3的含量高于99%,成本比納米SiO2低,價(jià)格為納米SiO2的1/10,其主要物理性能如表1所示；PVA纖維:性能如表2所示；水:自來水。

表1 納米CaCO3主要物理性能

表2 PVA纖維的物理性能

1.2 試驗(yàn)配合比

為了探討納米CaCO3和PVA纖維摻量對(duì)摻粉煤灰混凝土抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉彈性模量的影響規(guī)律,混凝土配合比設(shè)計(jì)中保持膠凝材料總量為500 kg/m3和水膠比0.35不變,在基準(zhǔn)混凝土配合比的基礎(chǔ)上僅改變納米CaCO3和PVA纖維摻量,其中納米CaCO3分別等量取代1%、2%、3%和4%的水泥；PVA纖維作為混凝土的摻和料,采用外摻法,其體積摻量分別為0.05%、0.10%、0.15%和0.20%,為了確?；炷涟韬臀锏暮鸵仔?通過摻加高效減水劑來調(diào)整新拌混凝土的工作性?；炷恋呐浜媳热绫?所示。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用尺寸為100 mm × 100 mm× 400 mm的小梁試件來測(cè)試納米CaCO3和PVA纖維增強(qiáng)混凝土的抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉彈性模量,每組配合比制備6個(gè)試件,共制備54個(gè)試件,所有的試件澆筑成型后,在混凝土振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng),持續(xù)時(shí)間為1 min。試件成型1 d后進(jìn)行脫模,置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(室溫為20±2 ℃,相對(duì)濕度>95%)養(yǎng)護(hù)28 d。試件達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后,每組配合比取出3個(gè)試件先進(jìn)行混凝土抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn),以確定抗彎拉彈性模量試驗(yàn)施加荷載?？箯澙瓘椥阅Ａ吭囼?yàn)中施加荷載取1/2抗彎拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的荷載值,另外3個(gè)試件進(jìn)行混凝土抗彎拉彈性模量試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的試驗(yàn)儀器為混凝土抗折試驗(yàn)機(jī),采用千分表測(cè)試試件跨中撓度?；炷量箯澙瓘?qiáng)度和抗彎拉彈性模量試驗(yàn)均采用三分點(diǎn)加載法(即采用三分點(diǎn)處雙點(diǎn)加荷和三點(diǎn)自由支撐式抗彎拉試驗(yàn)裝置)。試驗(yàn)試件采用的是非標(biāo)準(zhǔn)小梁試件,其抗彎拉強(qiáng)度的實(shí)際值等于抗彎拉強(qiáng)度的計(jì)算值乘以試件尺寸換算系數(shù)0.85[5]。

表3 混凝土配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 納米CaCO3對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響

圖1給出了粉煤灰混凝土抗彎拉強(qiáng)度隨著納米CaCO3摻量增加的變化情況。從圖1中可以看出,在未摻加PVA纖維時(shí),粉煤灰混凝土中摻加納米CaCO3后,其抗彎拉強(qiáng)度隨著納米CaCO3摻量的增加呈現(xiàn)出先增大而后減小的變化規(guī)律。當(dāng)納米CaCO3摻量從0增加到3%時(shí),相對(duì)于基準(zhǔn)粉煤灰混凝土的抗彎拉強(qiáng)度,其增幅為10.1%；當(dāng)納米CaCO3摻量為3%時(shí),其抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大值；隨著納米CaCO3摻量繼續(xù)增加到4%,粉煤灰混凝土抗彎拉強(qiáng)度略微降低。

圖1 納米CaCO3摻量對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of nano-CaCO3 content on flexural strength of concrete

當(dāng)粉煤灰混凝土中摻加適量的納米CaCO3(≤ 3%)時(shí),由于納米CaCO3粒徑小,比表面積較大,分子表面又存在大量的不飽和鍵,其分子活性較高,納米粒子可與粉煤灰混凝土中的3CaO·Al2O3發(fā)生水化反應(yīng),生成針狀的碳鋁酸鈣水化產(chǎn)物,能填充混凝土的孔隙,提高混凝土基體的密實(shí)度,因此提高了混凝土的抗彎拉強(qiáng)度。一方面納米CaCO3粒子在水泥水化的過程中會(huì)產(chǎn)生晶核效應(yīng),既能促進(jìn)混凝土基體中硅酸三鈣(C3S)的水化速度,也可使納米CaCO3粒子與混凝土基體中C-S-H和Ca(OH)2等物質(zhì)更好地鍵合在一起,形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使得水泥砂漿與混凝土基體之間的摩擦力和黏結(jié)力增大,從而使粉煤灰混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能得到改善,提高了混凝土基體的抗彎拉強(qiáng)度[6-7]。另一方面在水泥水化的過程中,大量粒徑尺寸較小的納米CaCO3粒子均勻地分布在混凝土基體中,能填充在粉煤灰混凝土的孔隙中,使混凝土中的孔徑變得更小,從而使混凝土基體變得更加均勻密實(shí),因而提高了混凝土基體的抗彎拉強(qiáng)度[6]。當(dāng)納米CaCO3摻量過高(>3%)時(shí),使混凝土基體需水量增大,過高的水膠比會(huì)增大混凝土基體內(nèi)的孔隙率,從而降低了混凝土基體抗彎拉強(qiáng)度；當(dāng)納米CaCO3粒子數(shù)量過大時(shí),其在混凝土基體中不容易分布均勻,納米CaCO3粒子易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,納米粒子增強(qiáng)作用減小,致使粉煤灰混凝土抗彎拉強(qiáng)度有一定降低[8]。

2.2 PVA纖維對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響

圖2給出了不同摻量的PVA纖維對(duì)摻粉煤灰和納米CaCO3混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響。從圖2中可以看出,PVA纖維的加入使混凝土的抗彎拉強(qiáng)度略有提高。當(dāng)PVA纖維體積摻量由0增加到0.15%時(shí),摻粉煤灰和納米CaCO3混凝土的抗彎拉強(qiáng)度逐漸增大,與未摻加PVA纖維的混凝土相比,其抗彎拉強(qiáng)度增量約為30%；當(dāng)PVA纖維摻量為0.15%時(shí),其抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。隨著PVA纖維摻量繼續(xù)增加到0.2%,摻粉煤灰和納米CaCO3混凝土的抗彎拉強(qiáng)度逐漸降低。

圖2 PVA纖維摻量對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of PVA fiber content on flexural strength of concrete

當(dāng)PVA纖維體積摻量較少(<0.15%)時(shí),PVA纖維可提高摻粉煤灰和納米CaCO3混凝土的抗彎拉強(qiáng)度。大量均勻分散的PVA纖維在混凝土基體內(nèi)與膠凝材料形成三維網(wǎng)狀支撐體系,PVA纖維與混凝土基體之間有較好的黏結(jié)性能。根據(jù)纖維間距理論,當(dāng)試件有出現(xiàn)裂縫的傾向或者出現(xiàn)細(xì)小的裂紋時(shí),就會(huì)有至少一根PVA纖維阻止裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展,同時(shí)把試件所受的拉應(yīng)力傳遞給混凝土基體,PVA纖維起到了橋聯(lián)作用,緩解了混凝土內(nèi)部應(yīng)力集中的現(xiàn)象,使混凝土試件的抗彎拉強(qiáng)度增大[9]。當(dāng)PVA纖維體積摻量較大(>0.15%)時(shí),PVA纖維在混凝土基體內(nèi)易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,使混凝土的內(nèi)部組成分布不均勻,根據(jù)復(fù)合材料理論,纖維使混凝土基體內(nèi)的應(yīng)力重新分布,造成混凝土基體內(nèi)應(yīng)力分布不均勻,使混凝土基體產(chǎn)生開裂,因此導(dǎo)致混凝土試件的抗彎拉強(qiáng)度降低；同時(shí)由于纖維的摻量過多,使混凝土基體內(nèi)部孔隙增多,PVA纖維的引氣作用以及試件在澆筑振搗成型的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的空隙,導(dǎo)致混凝土基體內(nèi)裂紋增多,因此使混凝土基體的抗彎拉強(qiáng)度降低[10]。

2.3 納米CaCO3對(duì)混凝土抗彎拉彈性模量的影響

圖3給出了粉煤灰摻量為15%的混凝土抗彎拉彈性模量隨著納米CaCO3摻量增加的變化情況。從圖3可以看出,隨著納米CaCO3摻量的不斷增大,粉煤灰混凝土試件的抗彎拉彈性模量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)納米CaCO3摻量從0增大到3%時(shí),相對(duì)于未摻加納米CaCO3粉煤灰混凝土試件的抗彎拉彈性模量,其增幅為3.5%,并在納米CaCO3摻量為3%時(shí),混凝土基體的抗彎拉彈性模量達(dá)到最大值；隨著納米CaCO3摻量繼續(xù)增加到4%時(shí),混凝土基體的抗彎拉彈性模量相對(duì)于基準(zhǔn)試件的降幅為0.24%。

圖3 納米CaCO3摻量對(duì)混凝土抗彎拉彈性模量的影響Fig.3 Effect of nano-CaCO3 content on flexural modulus of elasticity of concrete

混凝土的抗彎拉彈性模量不僅與混凝土中的組成材料有關(guān),還與混凝土的孔隙率、密度以及集料界面黏結(jié)性能等有關(guān)[11]。適量的納米CaCO3(≤3%)摻入粉煤灰混凝土后,納米CaCO3粒子的填充作用、水化作用和晶核作用使粉煤灰混凝土中的孔隙率降低,結(jié)構(gòu)更加密實(shí),當(dāng)試件所承受的應(yīng)力不變時(shí),其應(yīng)變減小,因此其抗彎拉彈性模量增大；另一方面，由于納米CaCO3粒子摻入使得混凝土基體界面中C-S-H凝膠的含量增加,也改變了Ca(OH)2單一方向排列性能,使混凝土基體界面處的水化產(chǎn)物逐漸形成空間網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu),從而改善了集料與界面的黏結(jié)性能,因此提高了混凝土的抗彎拉彈性模量[12]。隨著納米CaCO3摻量的繼續(xù)增大,由于納米 CaCO3粒徑較小,比表面積較大,大量的納米CaCO3顆粒很難均勻分散在混凝土基體中,容易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,混凝土試件在養(yǎng)護(hù)的過程中會(huì)出現(xiàn)自收縮現(xiàn)象,裂紋的擴(kuò)展速度加快,也會(huì)使混凝土基體界面處孔隙率加大,從而使混凝土抗彎拉彈性模量降低；另外，納米 CaCO3晶核作用使得混凝土基體界面處膠凝材料增加,使得界面過渡區(qū)的厚度增加也會(huì)使抗彎拉彈性模量降低[13]。

2.4 PVA纖維對(duì)混凝土抗彎拉彈性模量的影響

圖4給出了PVA纖維摻量對(duì)粉煤灰摻量為15%和納米CaCO3摻量為3%的混凝土抗彎拉彈性模量的影響。從圖4中可以看出,當(dāng)PVA纖維摻量從0增加到0.05%時(shí),隨著PVA纖維摻量的增加,混凝土的抗彎拉彈性模量逐漸增大；當(dāng)PVA纖維摻量從0.05%繼續(xù)增大到0.2%時(shí),隨著PVA纖維摻量的增加,混凝土的抗彎拉彈性模量逐漸降低。當(dāng)PVA纖維摻量分別為0.1%、0.15%和0.2%時(shí),與基準(zhǔn)混凝土(未摻加納米CaCO3)相比,其抗彎拉彈性模量降幅分別為0.7%、2.1%和4.8%。

圖4 PVA纖維摻量對(duì)混凝土抗彎拉彈性模量的影響Fig.4 Effect of PVA fiber content on flexural modulus of elasticity of concrete

在混凝土中加入適量的(<0.05%)PVA纖維,大量細(xì)微纖維能均勻地分布在混凝土中,混凝土試件受到外力作用時(shí),會(huì)使試件內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微的裂縫,當(dāng)裂縫的寬度較小時(shí),纖維能夠跨過細(xì)小的裂紋,裂縫處的荷載通過纖維傳遞到混凝土基體中,從而使試件內(nèi)部的裂紋處應(yīng)力集中現(xiàn)象降低,應(yīng)力分布均勻和試件的變形減少,因此提高了混凝土基體的抗彎拉彈性模量[14]。由于PVA纖維彈性模量較高,PVA纖維中的氫鍵以及不規(guī)則的形狀與膠凝基體黏結(jié)性和機(jī)械咬合力較強(qiáng),從而提高了混凝土基體的剛度,因此使混凝土基體的抗彎拉彈性模量提高[15]。PVA纖維在高摻量的情況下,往往會(huì)導(dǎo)致混凝土的微孔/裂縫體積增加,也使PVA纖維與混凝土基體之間的界面黏結(jié)性變?nèi)?使得混凝土在外力作用下的變形速率大于應(yīng)力速率,從而降低了混凝土的抗彎拉彈性模量。

3 結(jié)論

(1) 納米CaCO3摻量對(duì)粉煤灰混凝土試件的抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉彈性模量均有較大的影響。當(dāng)納米CaCO3摻量由0增加到3%時(shí),粉煤灰混凝土的抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉彈性模量隨著納米CaCO3摻量的增加有逐漸增大的趨勢(shì)；納米CaCO3最佳摻量為3%,其抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉彈性模量均達(dá)到最大值；當(dāng)納米CaCO3摻量超過3%時(shí),其抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉彈性模量有逐漸降低的趨勢(shì)。

(2) 摻入適量的PVA纖維可以提高摻加納米CaCO3和粉煤灰混凝土的抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉彈性模量。隨著PVA纖維體積摻量的增大,納米CaCO3和粉煤灰混凝土的抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉彈性模量逐漸增大,當(dāng)PVA纖維體積摻量超過0.05%時(shí),試件的抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉彈性模量有逐漸減小的趨勢(shì)。