納米SiO2和PVA纖維增強水泥基復合材料的斷裂性能

張 鵬，亢洛宜，郭進軍，王 娟

（鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001）

水泥基復合材料存在抗拉強度低、脆性大、韌性差等缺點，在各種荷載和變形作用下易產(chǎn)生裂縫.為改善這些缺點，國內(nèi)外諸多研究者對改性水泥基復合材料進行了大量研究.結(jié)果表明，以聚乙烯醇（PVA）纖維作為增強體制備的水泥基復合材料具有優(yōu)異的力學性能和較好的變形能力，有十分廣闊的工程應用前景［1］.同時，許多水工建筑物在服役期間處于荷載與多種劣化因素的耦合作用下，因而，用于水利工程結(jié)構(gòu)的水泥基復合材料不僅要具有優(yōu)異的力學性能，同時還要有較高的耐久性.已有研究表明［2?3］，適量納米SiO2的摻入可顯著改善水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)，從而顯著提高水泥基復合材料的耐久性.基于此，可通過在水泥基復合材料中混摻PVA纖維和納米SiO2，以提高其力學性能和耐久性，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，減少結(jié)構(gòu)正常使用年限中的維修費用.

斷裂性能對評價混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性具有重要意義［4］.然 而，目前關(guān)于復摻納米SiO2和PVA纖維水泥基復合材料斷裂性能的相關(guān)研究成果較少，因此，本文通過三點彎曲切口梁斷裂試驗，得到納米SiO2和PVA纖維增強水泥基復合材料（以下簡稱水泥基復合材料）的起裂斷裂韌度和斷裂能，研究了納米SiO2摻量、PVA纖維體積分數(shù)及石英砂粒徑對水泥基復合材料斷裂性能的影響規(guī)律，以期為水泥基復合材料的實際工程應用提供理論依據(jù).

1 試驗

1.1 原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，河南省新鄉(xiāng)孟電集團產(chǎn)；粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，洛陽電廠產(chǎn)；纖維為高強、高彈性模量PVA纖維，可樂麗株式會社產(chǎn)；納米材料為納米SiO2，SiO2含量（質(zhì)量分數(shù)，文中涉及的含量、水膠比等除特別注明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比）為99.5%，平均粒徑為30 nm，杭州萬景新材料有限公司產(chǎn)；減水劑為減水率為22.0%的高效減水劑，江蘇星辰化工有限公司產(chǎn)；拌和水為自來水；骨料為石英砂，鞏義市元亨凈水材料廠產(chǎn).

1.2 配合比設計及試件制備

三點彎曲斷裂試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm、預切口深度為40 mm的缺口小梁試件，試件幾何形狀及尺寸見圖1.

圖1 切口小梁幾何形狀及尺寸Fig.1 Shape and size of notched beam（size：mm）

每個配合比下同時澆筑尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試件，用于測試水泥基復合材料的28 d立方體抗壓強度（以下簡稱抗壓強度）.水泥基復合材料的水膠比為0.38，灰砂比為2.PVA纖維體積分數(shù)為0%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%和1.5%；納米SiO2摻量為0%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%（以水泥質(zhì)量計）；骨料采用4種粒徑范圍的石英砂，粒徑范圍分別為380~830、212~380、120~212、75~120μm.共18組配合比，每組5個試件，試驗結(jié)果取其平均值.水泥基復合材料配合比及抗壓強度如表1所示.先將新拌水泥基復合材料裝入試模，振搗、抹面后水平置于常溫處，24 h后脫模；再放入標準養(yǎng)護室（（20±2）℃、相對濕度95%以上）養(yǎng)護28 d.試驗前對試件進行鋸縫形式的預切口處理.

由表1可知：（1）當納米SiO2摻量為0%或2.0%時，隨著PVA纖維體積分數(shù)的增加，試件抗壓強度呈先增后減趨勢，但增減幅度均較??；當PVA纖維體積分數(shù)為0.6%時，試件抗壓強度達到最大值，與各自對 照 組（M1和M7）相 比，分 別 增 加 了8.03%和8.07%.（2）當PVA纖維體積分數(shù)為0.9%時，試件抗壓強度隨納米SiO2摻量增加也呈先增后減趨勢；當納米SiO2摻量從0%增至1.0%時，試件抗壓強度逐漸增大；當納米SiO2摻量為1.0%時，試件抗壓強度達到最大值，較單摻PVA纖維試件（M4）提高了16.02%；當納米SiO2摻量從1.0%增至2.5%時，試件的抗壓強度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，特別地，當納米SiO2摻量從2.0%增大到2.5%時，可能由于較大摻量的納米SiO2易團聚，在試件受力過程中團聚處成為薄弱環(huán)節(jié)［5］，最終導致水泥基復合材料抗壓強度大幅下降.（3）隨著石英砂粒徑的減小，試件的抗壓強度基本呈現(xiàn)降低趨勢.

表1 水泥基復合材料配合比及抗壓強度Table 1 Mix proportion and compressive strength of cementitious composite

1.3 試驗方法

雙K斷裂準則是徐世烺等［6］在研究素混凝土裂縫擴展問題時提出的簡單實用的斷裂準則.雖然因混凝土等水泥基材料中摻入纖維材料后，纖維進一步限制了材料的裂縫擴展，改變了材料的斷裂特性，采用雙K斷裂準則有一定的局限性；但由于雙K斷裂準則判據(jù)的簡單實用性，諸多學者在分析纖維混凝土斷裂性能時仍采用雙K斷裂準則［7?8］.因此本文基于雙K斷裂模型，通過三點彎曲切口梁斷裂試驗，測得水泥基復合材料的起裂斷裂韌度和斷裂能.

三點彎曲斷裂試驗在600 kN微機控制電液伺服萬能試驗機上進行，采用荷載傳感器測量荷載，其量程范圍為0~50 kN，精度不低于1%.在斷裂試驗過程中采用電測位移傳感器（LVDT）同步測量小梁試件的跨中撓度.試驗采用DH3821靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)，采集頻率為2 Hz.將荷載傳感器、LVDT與測試分析系統(tǒng)相連后可同步采集、存儲豎向荷載及試件撓度值，得到試件的荷載-跨中撓度曲線.

1.4 斷裂韌度與斷裂能計算

雙K斷裂模型［6，9］采用起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度作為斷裂性能的評價指標，其計算參考DL/T 5332—2005《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》.本文只采用作為水泥基復合材料斷裂韌度的評價指標.判讀“荷載-跨中撓度”曲線上升段中從直線段轉(zhuǎn)變?yōu)榍€段的轉(zhuǎn)折點，該點所對應的荷載即為起裂荷載，結(jié)合試驗測得的峰值荷載和“荷載-跨中撓度”曲線計算出試件的有效裂縫長度和.

斷裂能GF是表征裂縫擴展所消耗能量的斷裂參數(shù)［10］.在斷裂能和斷裂韌度測試過程中同步采集試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后可獲得試件的荷載-跨中撓度（P?δ）曲線，進而根據(jù)式（1）計算出試件的斷裂能［9，11?12］：

式中：A為試件斷裂韌帶面積，m2，A=b(h-a0)；b、h、a0分別為試件的高度、寬度及預制裂縫深度，本文b=0.1 m、h=0.1 m、a0=0.04 m；W0為P?δ曲線與X軸所圍面積，N/m；m為支座跨度S上的總質(zhì)量，其值等于試件質(zhì)量m1和試件上方輔助加載裝置質(zhì)量m2之和，kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；δ0為試件最終破壞時的跨中撓度，m.

需要說明的是，對于纖維增強水泥基復合材料試件，其斷裂時的斷裂面積并不確定，斷裂面等效受拉應力也并不為零，且計算時僅考慮作用在試件上外荷載做的功，因此由該方法計算得出的斷裂能并不準確，所得參數(shù)僅用于本文各組之間的比較.

2 結(jié)果及分析

2.1 PVA纖維體積分數(shù)對斷裂性能的影響

圖2給出了未摻納米SiO2和納米SiO2摻量為2.0%時，PVA纖維體積分數(shù)對試件起裂斷裂韌度的影響規(guī)律.由圖2可知：（1）與未摻PVA纖維的試件相比，摻入PVA纖維試件的起裂斷裂韌度明顯提高.（2）單摻PVA纖維與復摻PVA纖維、納米SiO2試件的起裂斷裂韌度隨PVA纖維體積分數(shù)增加的變化趨勢相同，均為先增大后減小，且最大值均出現(xiàn)在PVA纖維體積分數(shù)為1.2%時；當PVA纖維體積分數(shù)從0.3%增加到0.6%時，起裂斷裂韌度提升幅度最大；當PVA纖維體積分數(shù)為1.2%時，與未摻PVA纖維試件相比，單摻PVA纖維試件和復摻PVA纖維、納米SiO2試件的起裂斷裂韌度分別提高了59.10%和50.81%.

圖2 PVA纖維體積分數(shù)對試件起裂斷裂韌度的影響Fig.2 Effect of PVA fiber volume fraction on initial fracture toughness of specimens

圖3給出了未摻納米SiO2和納米SiO2摻量為2.0%時，PVA纖維體積分數(shù)對試件斷裂能的影響規(guī)律.由圖3可以看出：PVA纖維體積分數(shù)對試件的斷裂能影響較大，隨著PVA纖維體積分數(shù)的增加，試件的斷裂能均先增大后減小，當PVA纖維體積分數(shù)達到1.2%時，試件的斷裂能達到最大；當PVA纖維體積分數(shù)為1.2%時，與未摻PVA纖維試件相比，單摻PVA纖維試件和復摻PVA纖維、納米SiO2試件的斷裂能增長了1 559.43%和1 119.16%；當PVA纖維體積分數(shù)從1.2%增加到1.5%時，試件的斷裂能呈現(xiàn)下降趨勢.

圖3 PVA纖維體積分數(shù)對試件斷裂能的影響Fig.3 Effect of PVA fiber volume fraction on fracture energy of specimens

未摻納米SiO2和納米SiO2摻量為2.0%時，不同PVA纖維體積分數(shù)的水泥基復合材料試件的P?δ曲線如圖4所示.由圖4可知：（1）當PVA纖維體積分數(shù)從0%增加到1.2%時，試件的極限荷載逐漸增大；當PVA纖維體積分數(shù)超過1.2%時，試件的極限荷載開始逐漸降低，表明PVA纖維體積分數(shù)適當?shù)乃嗷鶑秃喜牧显嚰哂休^高的承載能力.（2）當PVA纖維體積分數(shù)從0%變化到1.5%時，試件的最大跨中撓度和P?δ曲線的飽滿度也基本呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當PVA纖維體積分數(shù)達到1.2%時，試件的最大跨中撓度和P?δ曲線的飽滿度最大，試件的P?δ曲線的變化規(guī)律也表明，隨著PVA纖維體積分數(shù)的增加，PVA纖維增強水泥基復合材料和復摻PVA纖維、納米SiO2增強水泥基復合材料抵抗裂縫擴展的能力呈現(xiàn)先增強后降低的趨勢.

圖4 PVA纖維體積分數(shù)對小梁試件荷載-跨中撓度曲線的影響Fig.4 Effect of PVA fiber volume fraction on load?deflection curves of specimens

PVA纖維對水泥基復合材料斷裂性能的增強作用主要體現(xiàn)在以下2個方面：一方面PVA纖維與膠凝材料有較好的相容性，在水泥基復合材料中摻入PVA纖維后，PVA纖維均勻分布在基體內(nèi)，打亂了水泥基復合材料基體內(nèi)部原有的應力分布，限制了水泥基復合材料中裂縫的形成和擴展，使水泥基復合材料開裂時存在裂縫受阻或者裂縫偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生多裂縫開裂現(xiàn)象，并且可以較好地抑制基體內(nèi)微小裂縫向宏觀裂縫擴展［13］；另一方面當裂縫出現(xiàn)后，PVA纖維會發(fā)揮阻裂效果，通過橋聯(lián)作用將應力傳遞到周圍的基體，減少應力集中，跨越裂縫的纖維也可以承受一部分應力，并且裂縫在擴展過程時還需要克服PVA纖維與基體界面之間存在的摩擦剪應力，有效地阻止了裂縫的發(fā)展［1，14］.但當PVA纖維體積分數(shù)過大時，試件的起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度和斷裂能有降低趨勢，這可能是因為過多的PVA纖維摻入到基體中，導致試件內(nèi)部孔隙增多，并且一部分纖維聚集成團，致使實際可以利用的纖維量有所減少，并在基體中形成薄弱面，使得材料性能降低［15］.

2.2 納米SiO2摻量對斷裂性能的影響

圖5給出了PVA纖維體積分數(shù)為0.9%時，納米SiO2摻量對水泥基復合材料起裂斷裂韌度的影響規(guī)律.由圖5可知：隨著納米SiO2摻量的增大，試件的起裂斷裂韌度先增后減；當納米SiO2摻量為1.5%時，試件的起裂斷裂韌度出現(xiàn)最大值，較未摻納米SiO2的對照組提高了6.30%；當納米SiO2摻量為2.0%或2.5%時，試件的起裂斷裂韌度低于對照組.由此說明，少量納米SiO2的摻入可小幅提高水泥基復合材料的起裂斷裂韌度，但過量摻入會降低其起裂斷裂韌度.

圖5 納米SiO2摻量對試件起裂斷裂韌度的影響Fig.5 Effect of nano?SiO2 content on initial fracture toughness of specimens

PVA纖維體積分數(shù)為0.9%時，納米SiO2摻量對水泥基復合材料斷裂能和P?δ曲線的影響規(guī)律如圖6所示.由圖6（a）可知：隨著納米SiO2摻量的增大，試件的斷裂能先增后減；當納米SiO2摻量為1.5%時，試件的斷裂能達到最大值；當納米SiO2摻量大于1.5%時，納米SiO2摻量對試件斷裂能有不利影響，尤其是其摻量為2.5%時，試件的斷裂能低于對照組.由圖6（b）可見：隨著納米SiO2摻量的增大，試件的極限荷載和P?δ曲線與橫坐標軸之間的包絡面積呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律；在納米SiO2摻量低于1.5%時，試件的極限荷載和曲線與坐標軸之間的包絡面積逐漸增大，納米SiO2摻量達到1.5%時，試件的極限荷載和曲線與坐標軸之間的包絡面積最大，納米SiO2摻量高于1.5%時，試件的極限荷載和曲線與坐標軸之間的包絡面積開始減小.因此，在適量的摻量范圍內(nèi)，納米SiO2的摻入對PVA纖維增強水泥基復合材料的承載能力和韌性有一定的提升作用，但過量摻入對PVA纖維增強水泥基復合材料的承載能力和韌性有不利影響.

圖6 納米SiO2摻量對試件斷裂能和荷載-跨中撓度曲線的影響Fig.6 Effect of nano?SiO2 content on fracture energy and load?deflection curves of specimens

適量納米SiO2的摻入對PVA纖維增強水泥基復合材料的斷裂性能有小幅度的提升，這可能是由于適量納米SiO2的摻入有效地發(fā)揮了納米粒子的充填效應，顯著增加了水泥基復合材料的密實度，減小了原生裂縫的數(shù)量及尺寸，微細裂縫產(chǎn)生應力集中而發(fā)展的可能性降低.同時PVA纖維與基體之間的摩擦力也取決于基體的密實程度，基體越密實，摩擦力越大，因此少量納米SiO2的摻入也更有效地發(fā)揮了PVA纖維的阻裂作用［16］.但過量納米SiO2摻入后，可能由于納米SiO2產(chǎn)生團聚現(xiàn)象，無法充分發(fā)揮納米粒子的晶核效應和充填效應，并且拌和會吸附大量的表層水，參與水化的水量減少，導致水泥基復合材料的水化程度降低，水化不完全，在水泥基復合材料中形成薄弱地帶區(qū)，宏觀表現(xiàn)為對PVA纖維增強水泥基復合材料斷裂性能產(chǎn)生了不利影響［5］.

2.3 石英砂粒徑對斷裂性能的影響

圖7給出了PVA纖維體積分數(shù)和納米SiO2摻量分別為0.9%和2.0%時，石英砂粒徑對水泥基復合材料起裂斷裂韌度的影響規(guī)律.由圖7可知：隨著石英砂粒徑的減小，試件的起裂斷裂韌度呈現(xiàn)減小的趨勢；對于以粒徑為380~830μm石英砂制備的試件，其起裂斷裂韌度為723 kN·m-3/2，其余3組試件的起裂斷裂韌度分別為其起裂斷裂韌度的96.1%、93.1%、78.90%.

圖7 石英砂粒徑對試件起裂斷裂韌度的影響Fig.7 Effect of quartz sand particle size on initial fracture toughness of specimens

PVA纖維體積分數(shù)為0.9%、納米SiO2摻量為2.0%時，石英砂粒徑對水泥基復合材料斷裂能和P?δ曲線的影響如圖8所示.由圖8可知：隨著石英砂粒徑的減小，試件的斷裂能呈現(xiàn)降低趨勢，試件的最大跨中撓度和荷載-撓度曲線的飽滿度也隨石英砂粒徑的減小而減小；對于以粒徑為380~830μm的石英砂制備的試件，其斷裂能為527.479 N/m，其余3組試件的斷裂能分別是其斷裂能的93.3%、90.0%、88.8%.由上述分析可知，隨著石英砂粒徑的減小，水泥基復合材料的斷裂性能呈現(xiàn)降低趨勢.這可能是因為裂縫需繞過骨料進行擴展，大粒徑的石英砂對裂紋路徑的阻礙作用較大，裂紋的擴展路徑更加曲折，從而導致裂縫擴展時需要消耗更多的能量，而小粒徑的石英砂對裂縫擴展的阻礙作用較小.

圖8 石英砂粒徑對試件斷裂能和荷載-跨中撓度曲線的影響Fig.8 Effect of quartz sand particle size on fracture energyand load?deflection curves of specimens

2.4 PVA纖維和納米SiO2對水泥基復合材料微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖9為不同PVA纖維體積分數(shù)下未摻納米SiO2水泥基復合材料的微觀形貌.由圖9可以看出：當PVA纖維體積分數(shù)為0.9%時，PVA纖維較均勻地分布在水泥基復合材料基體組織中，且PVA纖維可以橋聯(lián)基體內(nèi)的微裂縫，限制基體內(nèi)微裂縫的擴展；當PVA纖維體積分數(shù)為1.5%時，水泥基復合材料基體中的部分PVA纖維聚集成團，其內(nèi)部孔隙尺寸較PVA纖維體積分數(shù)為0.9%的水泥基復合材料大.這說明，適量的PVA纖維摻入到水泥基復合材料時，PVA纖維可以均勻分布，發(fā)揮其各種增強作用，從而提高水泥基復合材料的斷裂性能；過量的PVA纖維摻入到水泥基復合材料時，部分PVA纖維會聚集成團，不能有效發(fā)揮PVA纖維的優(yōu)良特性，從而導致水泥基復合材料斷裂性能降低.

圖9 不同PVA纖維體積分數(shù)下水泥基復合材料的微觀形貌Fig.9 Morphology of PVA fiber volume fraction on microstructure of cementitious composites

在PVA纖維體積分數(shù)為0.9%條件下，研究了納米SiO2摻量為1.0%和2.5%時水泥基復合材料的微觀形貌如圖10所示.對比圖10（a）與圖9（a）可知，摻入1.0%的納米SiO2后，試件基體中的孔洞數(shù)量較少，有明顯的簇狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，其致密性較高.由圖10（b）可見，試件基體中出現(xiàn)了納米SiO2團聚現(xiàn)象，且出現(xiàn)未完全水化的顆粒.相關(guān)研究結(jié)果表明，納米SiO2具有較高的活性和較大的比表面積，可以提供大量的成核位點，既可以使C?S?H凝膠在其表面鍵合，形成以納米SiO2顆粒為核心的簇狀結(jié)構(gòu)，又能促進水泥水化，可改善并強化水泥基復合材料基體的微觀結(jié)構(gòu)［17］.適量納米SiO2的摻入可有效發(fā)揮其小尺寸效應和表面效應，增強基體的密實性，從而改善PVA纖維增強水泥基復合材料的斷裂性能；過量納米SiO2的摻入易引起納米粒子的團聚，拌和時吸附大量自由水，導致水泥基復合材料基體中出現(xiàn)未完全水化部分，從而降低了水泥基復合材料的斷裂性能.

圖10 納米SiO2摻量對水泥基復合材料微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.10 Effect of nano?SiO2 content on microstructure of cementitious composites

3 結(jié)論

（1）當PVA纖維體積分數(shù)由0%增大到1.5%時，無論水泥基復合材料中是否摻入納米SiO2，試件的起裂斷裂韌度和斷裂能均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，且在PVA纖維體積分數(shù)為1.2%時達到最大值.適量PVA纖維的摻入可顯著增強水泥基復合材料的斷裂性能.

（2）適量的納米SiO2對水泥基復合材料的斷裂性能有一定的增強效果，但過量摻入后，可能由于團聚效應會對其斷裂性能帶來不利影響.

（3）水泥基復合材料的起裂斷裂韌度和斷裂能隨著石英砂粒徑的減小表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，均呈現(xiàn)降低的趨勢.