納米SiO2和聚乙烯醇纖維對混凝土抗彎拉性能的影響

張 鵬， 代思源， 王 磊， 呂亞軍

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院， 鄭州 450001； 2.華北水利水電大學(xué)建筑學(xué)院， 鄭州 400046)

隨著中國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，在高等級公路的大量橋梁工程中，混凝土橋面鋪裝被廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)橋面鋪裝混凝土自身存在重量大、抗拉強度低、韌性差、脆性高、裂縫寬度難以控制等缺點，因此在使用過程中，特別是在施工過程中會出現(xiàn)大量不同類型的裂縫。要彌補這些缺陷，最有效的方法就是在混凝土復(fù)合材料中加入纖維[1]。在混凝土中摻入纖維材料可使混凝土的破壞形態(tài)和強度均有所改善[2]。適用于混凝土復(fù)合材料的常用纖維有鋼纖維、聚丙烯(PP)纖維和聚乙烯醇(PVA)纖維。在各種纖維中，鋼纖維是一種理想的混凝土增強材料，但在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用一直因其造價高、抗腐蝕性差而備受爭議[3]。而PVA纖維不僅可使普通混凝土復(fù)合材料獲得良好的延性，而且，在一定程度上避免了鋼纖維混凝土復(fù)合材料的局限性[4-6]。PVA纖維的彈性模量高于PP纖維，PP纖維增強水泥基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能較好。PVA纖維與水泥基體具有良好的界面黏結(jié)性，對復(fù)合材料的力學(xué)性能具有較大的增強作用[7]。計濤等[8]的研究結(jié)果表明，在抗沖磨混凝土中分別摻入PVA纖維和PP纖維，混凝土的抗沖磨強度均有提高，且PVA纖維混凝土具有較大的極限拉伸強度、較高的劈拉強度和抗沖磨強度。

納米技術(shù)的應(yīng)用可使傳統(tǒng)建筑材料性能有較大提升，納米材料可廣泛應(yīng)用于土木工程中的各種特殊結(jié)構(gòu)。陳堅等[9]探究了納米SiO2的摻加對鋼纖維增強混凝土抗壓強度的影響，結(jié)果表明納米SiO2能提高普通混凝土和鋼纖維混凝土的立方體抗壓強度，特別是早期抗壓強度。黃功學(xué)等[10]通過試驗研究了摻加納米SiO2混凝土的各種耐久性，并探討了納米粒子對混凝土耐久性提升的作用機理，其結(jié)果表明，由于SiO2納米粒子的存在，混凝土基體的微觀結(jié)構(gòu)得到了較大改善，納米粒子有效地填充了材料內(nèi)部微細孔隙，使得混凝土基體的耐久性有較大幅度提升。對橋面鋪裝用混凝土而言，抗彎拉性能是其路用性能最重要的性能之一，盡管纖維和納米材料被越來越多地用于混凝土工程，但目前缺乏關(guān)于PVA纖維和納米SiO2增強粉煤灰混凝土抗彎拉性能研究方面的相關(guān)成果。因此，在試驗基礎(chǔ)上探究了PVA纖維和SiO2納米粒子對摻加粉煤灰混凝土抗彎拉性能的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗中所采用的水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，由河南新鄉(xiāng)孟電水泥廠生產(chǎn)；所采用的粉煤灰為一級粉煤灰，由大唐洛陽熱電有限責(zé)任公司生產(chǎn)。PVA纖維采用日本可樂麗公司生產(chǎn)的PVA纖維，物理性能如表1所示。細骨料為天然河砂，其吸水率為0.38，比重為2.65，細度模數(shù)為2.91，粗骨料采用最大粒徑為20 mm花崗巖碎石。試驗中采用高效減水劑調(diào)節(jié)混凝土的拌和物工作性(星辰化工，減水率為22%)。納米材料采用納米SiO2(浙江萬景新材料有限公司)，其物理性能如表2所示。

1.2 試驗配合比

試驗設(shè)計了兩個系列配合比，分別揭示納米SiO2和PVA纖維摻量對混凝土抗彎拉性能的影響。兩組混凝土配合比中膠凝材料用量恒定為500 kg/m3，高效減水劑的劑量為4.5 kg/m3，水膠比為0.36。課題組前期進行了相關(guān)正交試驗，即改變納米SiO2的摻量和PVA纖維體積摻量，得出了二者協(xié)同作用下的最優(yōu)配比，結(jié)果表明，納米SiO2摻量為5%時對混凝土的增強作用最大[4, 11-13]。因此，研究中第1組試驗設(shè)計了5種混凝土配合比，粉煤灰等量取代15%質(zhì)量的水泥，納米SiO2的摻量分別為0、1%、3%、5%、7%。第2組試驗設(shè)計了四種混凝土配合比，每組配合比摻5%納米SiO2和15%粉煤灰，PVA纖維體積摻量分別為0.05%、0.10%、0.15%、0.2%。所有材料中粉煤灰、細骨料、粗骨料和水的用量相同，混凝土配合比如表3所示。

表1 PVA纖維的物理性能

表2 納米SiO2的物理性能

表3 混凝土配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 混凝土制備

未摻納米SiO2或PVA纖維的基準(zhǔn)混凝土拌和過程如下：首先將細骨料和粗骨料攪拌1 min，加入水泥和粉煤灰后再次攪拌60 s，然后加入水和減水劑，攪拌120 s。在摻有纖維和納米粒子混凝土攪拌過程中，為使納米粒子和纖維在混凝土基體內(nèi)能均勻分散，對上述攪拌程序進行調(diào)整為。首先將粗骨料和細骨料在攪拌機中混合攪拌60 s，然后將納米SiO2、水泥和粉煤灰等膠凝材料摻入并攪拌120 s，之后加入減水劑和拌和用水再攪拌180 s，最后將PVA纖維分散開撒入混凝土后繼續(xù)攪拌120 s。

1.3.2 混凝土流動性試驗

按照《普通混凝土拌和物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)進行新拌混凝土流動性試驗。攪拌完成后，立即進行混凝土拌和物流動性試驗，然后制備抗彎拉試驗所需試件。試件靜置24 h后進行脫模，然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護環(huán)境中養(yǎng)護28 d后進行試驗。新拌混凝土的流動性采用混凝土拌和物坍落擴展度進行評價，每個配比混凝土均進行3次試驗后取平均值作為試驗最終結(jié)果。

1.3.3 混凝土抗彎性能試驗

根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)，每種配合比混凝土制備6個400 mm×400 mm×100 mm的小梁式試件，其中3個試件用于測試抗彎拉強度，另3個試件用于測試抗彎拉彈性模量，抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量試驗在電液伺服萬能試驗機上進行。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 納米粒子和纖維對混凝土拌和物流動性的影響

圖1所示為粉煤灰摻量固定為15%，不同納米SiO2摻量時混凝土拌和物的坍落擴展度。與未摻納米顆粒的混凝土相比，摻加7%納米SiO2混凝土的坍落擴展度降低了23%。隨著納米SiO2摻量的提高，混凝土的工作性呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。納米SiO2顆粒的比表面積大、表面原子能量高，因而，納米顆粒吸附大量水分，且納米顆粒容易發(fā)生團聚。大的納米SiO2團聚體不能作為混凝土內(nèi)部空隙填料，而團聚體本身也會吸附大量的自由水，因此剩下用于改善混凝土工作性能的自由水減少，從而導(dǎo)致混凝土工作性能的降低[14-15]。杜祥飛等[16]的研究表明，若在制備過程中直接往水泥漿體中加入粉狀納米SiO2，則納米顆粒難以均勻分散，既使事先對粉體納米SiO2進行超聲處理，仍不能避免大部分納米SiO2顆粒發(fā)生團聚現(xiàn)象，其二次粒徑最高可達到微米級。

圖1 納米SiO2摻量對坍落擴展度的影響

圖2 PVA纖維對坍落擴展度的影響

圖2給出了納米SiO2摻量固定為5%，纖維摻量從0逐漸增大到0.2%時納米混凝土復(fù)合材料拌和物坍落擴展度的變化。從圖2中可看出，PVA纖維摻加到納米混凝土中會導(dǎo)致混凝土拌和物坍落擴展度減小，且減小幅度與PVA纖維體積摻量有關(guān)，隨纖維體積摻量增大逐漸減小。由于PVA纖維在混凝土復(fù)合材料內(nèi)部可形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增大了混凝土的內(nèi)部流動阻力，使混凝土材料均勻性變差，從而降低了混凝土拌和物流動性。而且PVA 纖維具有較強的親水性，大量的自由水被吸附在纖維表面，因此，隨著PVA纖維體積摻量的增加，包裹纖維所需要的水泥漿增加，使得納米混凝土流動性降低[17-18]。

2.2 納米SiO2和PVA纖維對混凝土抗彎拉強度的影響

不同摻量的納米SiO2和PVA纖維對混凝土小梁試件抗彎拉強度的影響如圖3所示。從圖3中可以看出，未摻納米SiO2基準(zhǔn)混凝土抗彎拉強度為6.42 MPa，當(dāng)納米SiO2的用量增加到5%時，試件的抗彎拉強度逐漸增加到8.09 MPa，增大了26%。之后，當(dāng)納米SiO2的用量增加到7%時，抗彎強度略微降低到7.33 MPa。納米SiO2表面存在大量不飽和Si-O殘鍵及不同鍵和狀態(tài)的羥基，所以具有高反應(yīng)活性。當(dāng)納米顆粒均勻分散于水泥中后，能以自身為核心并與水泥水化產(chǎn)物緊密結(jié)合。納米粒子的高活性可進一步促進水泥水化反應(yīng)，提高水泥砂漿的早期強度。此外，高活性的納米SiO2粒子能夠參與火山灰反應(yīng)，其產(chǎn)物有助于改善膠結(jié)料之間的黏結(jié)效果，使混凝土的界面過渡區(qū)得到增強。

圖3 納米SiO2和PVA纖維對抗彎拉強度的影響

PVA纖維的摻入提高了混凝土復(fù)合材料的抗彎拉強度。當(dāng)PVA纖維摻量為0.15%時，混凝土復(fù)合材料的抗彎拉強度達到最大值?；炷羶?nèi)大量亂向分布PVA纖維起到了較強的加筋作用，當(dāng)混凝土在彎曲荷載作用下產(chǎn)生裂縫后，由于纖維與水泥漿黏合效果良好，橫跨裂縫的纖維可以橋接一些裂縫，幫助基體繼續(xù)承載，直到PVA纖維斷裂或被拉出，從而提高了混凝土的抗彎拉強度。較高的PVA纖維摻量對試件的抗彎拉強度具有一定負面影響，這可能是由于纖維分布不均勻以及混凝土中大量纖維不定向造成的，同時過高的摻量會增大纖維與水泥漿料的界面面積，提高微裂縫發(fā)生的可能性。與基準(zhǔn)配合比小梁的破壞情況不同，PVA纖維增強混凝土小梁試件的破壞存在一個過程，即試件開裂后，纖維與混凝土基體之間的內(nèi)聚力仍能承受一部分彎曲應(yīng)力，從而防止裂紋快速生長，使得試件的破壞模式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐摹?/p>

2.3 納米SiO2和PVA纖維對混凝土抗彎拉彈性模量的影響

圖4(a)給出了納米SiO2摻量對混凝土復(fù)合材料抗彎拉彈性模量的影響。從圖4(a)中可看出，納米SiO2的摻入有效地提高了混凝土的抗彎拉彈性模量。當(dāng)納米SiO2的摻量為5%時，納米顆粒對混凝土復(fù)合材料抗彎拉彈性模量的增強效果最佳。隨著納米SiO2顆粒摻量的增加，混凝土小梁試件抗彎拉彈性模量呈現(xiàn)小幅增加，其原因可主要歸于納米顆粒的納米效應(yīng)，由于納米顆粒的成核作用和火山灰反應(yīng)，眾多細小的納米顆粒為水泥水化產(chǎn)物的結(jié)晶和長大提供了數(shù)量龐大的附著點，有效促進了水泥和粉煤灰的水化反應(yīng)，從而使界面過渡區(qū)和混凝土基體內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，使抗彎拉彈性模量有一定增加[19]。

圖4 納米SiO2和PVA纖維對抗彎拉彈性模量的影響

圖4(b)給出了納米混凝土抗彎拉彈性模量隨PVA纖維體積摻量增大的變化趨勢。從圖4(b)中可看出，少量(體積摻量低于0.1%)PVA纖維的摻加提高了納米混凝土的抗彎拉彈性模量，但當(dāng)PVA纖維體積摻量大于0.1%時，纖維對摻納米粒子混凝土抗彎拉彈性模量有一定降低。與基準(zhǔn)混凝土相比，纖維體積摻量分別為0.05%和0.1%時，納米混凝土的抗彎拉彈性模量分別提高了1.4%和3.2%，而當(dāng)纖維體積摻量分別為0.15%和0.2%時，納米混凝土的抗彎拉彈性模量分別降低了0.9%和3.8%。在彎曲荷載作用下，當(dāng)混凝土小梁處于彈性階段時，混凝土內(nèi)產(chǎn)生較少的裂縫，纖維在彎曲荷載作用下混凝土中所起作用類似于受壓荷載作用下混凝土材料中纖維的作用。當(dāng)纖維摻量較大時，大量纖維在混凝土復(fù)合材料中會產(chǎn)生更多的微裂縫區(qū)域(纖維-砂漿界面區(qū)域)，混凝土變形增大速率將高于混凝土復(fù)合材料在荷載作用下的應(yīng)力增長速率，從而降低了混凝土復(fù)合材料的抗彎拉彈性模量。

3 結(jié)論

(1)納米SiO2摻入混凝土復(fù)合材料中降低了混凝土拌和物的坍落擴展度，在摻有納米SiO2的混凝土復(fù)合材料中摻加PVA纖維會導(dǎo)致拌和物流動性進一步降低。

(2)納米SiO2取代部分水泥可提高混凝土復(fù)合材料的抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量。當(dāng)SiO2納米粒子的用量從0增加到7%時，混凝土抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量均先增大后減小，在納米SiO2摻量為5%時達到最大值。

(3)在納米混凝土中摻加適量PVA纖維，可提高其抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量，但過大摻量的PVA纖維使納米混凝土的抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量有一定降低。