納米SiO2-聚丙烯纖維混凝土疲勞荷載下的性能研究

摘要：為提高混凝土路面在疲勞荷載下的力學(xué)及抗氯離子侵蝕性能，文章通過摻入聚丙烯纖維和納米SiO2改性混凝土，研究了聚丙烯纖維和納米SiO2摻量對(duì)混凝土坍落度以及疲勞荷載下的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和氯離子含量的影響。結(jié)果表明：復(fù)摻混凝土體積的1%的聚丙烯纖維和水泥質(zhì)量的1%的納米SiO2為最優(yōu)配合比，疲勞荷載下混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提高了48.3%和57.4%，氯離子含量降低了47.8%。

關(guān)鍵詞：納米SiO2；聚丙烯纖維；力學(xué)性能；抗氯離子侵蝕性能

中文分類號(hào)：U416.03A260833

0引言

水泥混凝土路面作為道路的主要類型，因其承載力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。在濱海地區(qū)，水泥混凝土路面不僅會(huì)受到車輛的反復(fù)荷載作用，還會(huì)受到環(huán)境中氯化物的侵蝕。因此，在疲勞荷載和氯鹽侵蝕的耦合作用下，水泥混凝土路面會(huì)出現(xiàn)開裂、斷板等結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致承載力急劇下降和使用壽命大幅度縮短［1］。針對(duì)此類問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常采用纖維來提高水泥混凝土的韌性，從而改善復(fù)雜服役環(huán)境下水泥混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。聚丙烯纖維是一種由丙烯聚合而成的合成纖維，具有優(yōu)異的拉伸性、耐磨性和彈性模量［2］。張慧莉等［3］指出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土的抗彎疲勞性能提高。聚丙烯纖維在基體中起到的橋接作用有效限制了開裂寬度。蔣明慧等［4］研究了聚丙烯纖維對(duì)腐蝕-疲勞耦合環(huán)境下混凝土耐久性能的影響，結(jié)果表明聚丙烯纖維摻量為1.5%的混凝土抗氯離子能力最佳。此外，Afroughsabet等［5］指出了聚丙烯纖維具有一定的疏水性，0.3%的聚丙烯纖維能夠有效降低混凝土的吸水率。然而，加入較多的聚丙烯纖維會(huì)導(dǎo)致混凝土與骨料的過渡區(qū)厚度和孔隙率增加。據(jù)報(bào)道，納米顆粒的填充效應(yīng)能夠有效緩解因纖維過多導(dǎo)致孔隙率增加的風(fēng)險(xiǎn)。周學(xué)翔等［6］研究了混凝土路面在疲勞荷載作用下的抗凍性，結(jié)果表明隨荷載作用次數(shù)增加，納米SiO2對(duì)混凝土抗凍性的改善效果越顯著。賴祺等［7］發(fā)現(xiàn)5%的納米SiO2可以優(yōu)化混凝土中的孔隙結(jié)構(gòu)，減少氯離子的傳輸通道，從而減緩氯離子對(duì)混凝土的滲透。

綜上所述，關(guān)于疲勞荷載下聚丙烯纖維和納米SiO2的復(fù)合作用對(duì)混凝土力學(xué)與耐久性能的影響尚缺乏系統(tǒng)研究。本文通過復(fù)摻聚丙烯纖維和納米SiO2，研究了聚丙烯纖維和納米SiO2摻量對(duì)混凝土坍落度以及疲勞荷載下混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗氯離子性能的影響。

1原材料與配合比設(shè)計(jì)

1.1原材料

水泥：海螺牌P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標(biāo)見表1。

細(xì)集料：選用佛山南海某混凝土公司生產(chǎn)的天然砂，其粒徑范圍為0.15～4.75 mm，含泥量為1.5%，表觀密度為2.65 g/cm3，細(xì)度模數(shù)為3.0。

粗集料：選用粒徑為4.75～19 mm的石灰石碎石，含泥量為2.5%，表觀密度為2.71 g/cm3，壓碎值為13.5%。

聚丙烯纖維（PP）：購(gòu)自江蘇蘇博特新材料股份有限公司，纖維的物理性能及力學(xué)性能如表2所示。

納米SiO2：采用親水型氣相納米SiO2，其外觀呈白色粉末狀，具體技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

1.2配合比設(shè)計(jì)

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，水灰比為0.54?；谇捌诖罅吭囼?yàn)儲(chǔ)備，為了更好地提升混凝土材料的力學(xué)性能及抗氯離子滲透性，本文所用PP纖維的體積分?jǐn)?shù)為混凝土體積的1%，納米SiO2的摻量分別為水泥質(zhì)量的0.5%、1%、1.5%。具體配合比見表4。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1工作性能

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE30-2005）［8］對(duì)納米-纖維混凝土的坍落度進(jìn)行測(cè)定。用鋼尺量出底面至試樣頂面最高點(diǎn)的垂直距離，即為該混凝土拌和物的坍落度，精確至1 mm。

1.3.2力學(xué)性能

依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE30-2005），采用10 Hz加載頻率和0.75荷載應(yīng)力水平，對(duì)100 mm×100 mm×400 mm試件進(jìn)行10×104次的疲勞加載，隨后對(duì)加載前后的混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度測(cè)試。

1.3.3抗氯離子侵蝕性能

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）［9］，將試件的5個(gè)表面用環(huán)氧樹脂進(jìn)行涂刷密封并靜置風(fēng)干，然后放入質(zhì)量濃度為3.5%的NaCl侵蝕溶液中，開展90 d的氯鹽浸泡試驗(yàn)。試件浸泡結(jié)束后晾干，從未涂環(huán)氧樹脂的表面選擇8個(gè)采樣點(diǎn)，使用2.8 mm沖擊鉆進(jìn)行鉆芯取樣并收集粉末樣品。試驗(yàn)取樣深度為2.5～22.5 mm（每隔5 mm），然后用0.63 mm孔徑標(biāo)準(zhǔn)篩篩取樣品，烘干后密封保存，采用氯離子含量快速測(cè)定儀測(cè)定樣品中的氯離子含量。

2結(jié)果與討論

2.1納米SiO2和PP纖維對(duì)混凝土工作性能的影響

為了探究PP纖維和納米SiO2對(duì)混凝土工作性能的影響，進(jìn)行坍落度測(cè)試（見圖1）。結(jié)果表明，隨著PP纖維和納米SiO2的摻入，新拌混凝土的坍落度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)PP纖維的摻量為混凝土體積的1%時(shí)，坍落度比基準(zhǔn)組減少了15.7%。這是因?yàn)镻P纖維在混凝土漿體中的不規(guī)則分布增加了集料與水泥顆粒的流動(dòng)阻力。隨著納米SiO2的摻入，坍落度進(jìn)一步降低，最低為46.4 mm，相比基準(zhǔn)組下降了36.6%。其原因在于高比表面積的納米SiO2顆粒具有較高的需水量，導(dǎo)致水泥顆粒表面的自由水減少，水泥顆粒間的內(nèi)摩擦力增加，從而使得新拌混凝土的坍落度逐漸降低。

2.2疲勞荷載下納米SiO2和PP纖維對(duì)混凝土的力學(xué)性能的影響

2.2.1抗壓強(qiáng)度

為了明確PP纖維和納米SiO2對(duì)疲勞加載前后混凝土的抗壓性能影響，對(duì)其抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試（見圖2）。結(jié)果表明，在摻入PP纖維后，疲勞加載前后P1S0的抗壓強(qiáng)度相比P0S0均有所提高，分別增加了17.4%和26.7%。主要原因在于均勻分散的PP纖維在基體中起到橋接作用，抵消了部分縱向和橫向荷載，使得疲勞加載前后混凝土的抗壓強(qiáng)度增加。在PP纖維的基礎(chǔ)上，隨著納米SiO2摻量的增加，疲勞加載前后混凝土的抗壓強(qiáng)度均呈先增加后減少的趨勢(shì)。其中，摻入占水泥質(zhì)量1%的納米SiO2的混凝土在疲勞加載前后的抗壓強(qiáng)度均為最高值（56.6 MPa和52.8 MPa），相比基準(zhǔn)組提升了31.1%和48.3%。

納米SiO2粒徑較小，可以有效填充混凝土內(nèi)部孔隙，提高混凝土的密實(shí)度；高活性的納米SiO2能夠與Ca（OH）2反應(yīng)放熱，促使水化反應(yīng)的進(jìn)行，生成更多的C-S-H凝膠，并改善漿體與骨料過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)，從而提升了混凝土的抗壓強(qiáng)度。然而，當(dāng)納米SiO2摻入量過高時(shí)，納米SiO2顆粒的團(tuán)聚效應(yīng)導(dǎo)致混凝土基體中孔徑的增大，從而對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.2.2抗折強(qiáng)度

為了明確PP纖維和納米SiO2對(duì)疲勞加載前后混凝土抗折性能的影響，對(duì)其進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，P1S0的抗折強(qiáng)度在加載前后達(dá)到8.3 MPa和7.6 MPa，相比基準(zhǔn)組提升了36.1%和43.4%?？梢钥闯?，PP纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的提升比對(duì)抗壓強(qiáng)度更為明顯，這是因?yàn)镻P纖維的摻入使混凝土內(nèi)部形成了立體交錯(cuò)的空間骨架，并充分發(fā)揮其抗拉伸性和韌性，有效改善了混凝土斷裂的薄弱區(qū)域。在混凝土受力過程中，纖維受力的過程即抗折強(qiáng)度提高的過程。隨著納米SiO2的摻入，疲勞加載前后混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)類似，呈先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)納米SiO2摻量為水泥質(zhì)量的1%時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度最高，達(dá)到9.1 MPa，相對(duì)基準(zhǔn)組提升了48.3%，并在加載后仍具有可觀的抗折強(qiáng)度（8.5 MPa），比基準(zhǔn)組提高了57.4%。納米SiO2對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響可以歸因于SiO2的成核效應(yīng)和填充效應(yīng)促進(jìn)了C-S-H凝膠的產(chǎn)生并致密了孔隙，改善了水泥與骨料的界面過渡區(qū)，從而最大程度發(fā)揮了PP纖維的橋接作用。而過量的納米SiO2容易使顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，造成PP纖維周圍孔洞增多，這極大削弱了PP纖維與基體的粘結(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致抗折強(qiáng)度的下降。上述結(jié)果表明復(fù)摻納米SiO2與PP纖維能夠有效改善混凝土的疲勞開裂，提高抗折強(qiáng)度。

2.3疲勞荷載下納米SiO2和PP纖維對(duì)混凝土氯離子含量的影響

為了探究PP纖維和納米SiO2對(duì)疲勞加載前后混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響，對(duì)其氯離子含量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。對(duì)比圖4（a）和圖4（b）可以發(fā)現(xiàn)，氯離子含量隨著距試件表層的深度增加而線性減少，進(jìn)而驗(yàn)證了由表及里線性溶蝕規(guī)律。而在同一深度，摻入纖維后的混凝土氯離子含量明顯降低，這是由于：（1）PP纖維的疏水性會(huì)在試件表面形成一層水膜，從而提高試件的抗氯離子侵蝕的能力；（2）纖維在試件中填充了部分孔隙并形成空間網(wǎng)絡(luò)，提高了材料的致密性，改善了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而降低了氯離子的擴(kuò)散能力。而在加入納米SiO2后的氯離子含量更是進(jìn)一步減少，以2.5 mm深度為例，P1S1組在加載前的氯離子含量相對(duì)基準(zhǔn)組減少了43.5%，在加載后的氯離子含量相對(duì)基準(zhǔn)組減少了47.8%。這表明摻入納米SiO2后的混凝土即使是在疲勞荷載下依舊能保持抗氯離子侵蝕的穩(wěn)定性，這歸功于納米SiO2極細(xì)的粒徑，能夠物理填充在材料孔隙中以減少孔隙率，提高材料的密實(shí)度，阻擋了氯離子的進(jìn)入；同時(shí)，納米SiO2較高的火山灰活性使之與Ca（OH）2反應(yīng)生成更多膠結(jié)力更強(qiáng)的C-S-H凝膠，并與纖維網(wǎng)絡(luò)耦合，能夠固定氯離子以減少侵蝕。

3結(jié)語(yǔ)

（1）纖維及SiO2的摻入會(huì)降低混凝土的坍落度。摻入混凝土體積1%的PP纖維時(shí)，坍落度相比基準(zhǔn)組下降了15.7%。而隨著納米SiO2的摻入，坍落度逐漸下降，最低在P1S1.5組時(shí)，相比基準(zhǔn)組下降了36.6%，這是因?yàn)镻P纖維與納米SiO2摻入后對(duì)水的需求增加。

（2）纖維及納米SiO2的摻入提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，并降低了疲勞荷載后的強(qiáng)度損失。在P1S1組即摻入混凝土體積1%的PP纖維和水泥質(zhì)量1%的納米SiO2時(shí)混凝土強(qiáng)度最高，達(dá)到56.6 MPa，相比基準(zhǔn)組提升了31.1%，其加載后強(qiáng)度仍保持較高強(qiáng)度。原因是PP纖維和納米SiO2填充了混凝土中部分孔隙，抑制了裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。此外，納米SiO2與Ca（OH）2反應(yīng)生成了更多膠結(jié)力強(qiáng)的C-S-H凝膠。

（3）P1S1組在加載前的氯離子含量相對(duì)基準(zhǔn)組減少了43.5%，在加載后的氯離子含量相對(duì)基準(zhǔn)組減少了47.8%。這是由PP纖維的疏水性與纖維網(wǎng)絡(luò)，以及納米SiO2極細(xì)的粒徑和較高的火山灰活性所致。

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作者簡(jiǎn)介：賀云（1993—），碩士，工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。