水泥基復合材料對混凝土抗?jié)B性能的影響

摘" 要：混凝土抗?jié)B性能關(guān)乎建筑結(jié)構(gòu)耐久性，本文主要探討水泥基復合材料對其抗?jié)B性的影響。介紹了PVA纖維、玄武巖纖維增強水泥基材料及納米SiO2改性水泥漿液的分類與特性，從微觀結(jié)構(gòu)、化學反應、力學性能三方面闡述影響機制。通過實驗，對比不同摻量、基體飽和度及表面處理下材料的界面剪切強度、毛細吸水系數(shù)、抗?jié)B等級等指標。實驗結(jié)果表明，納米SiO2改性水泥漿液在不同飽和度下均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗?jié)B性能，而纖維增強材料則在干燥基體中表現(xiàn)更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：水泥基復合材料；混凝土抗?jié)B性能；納米SiO2改性水泥漿液；實驗研究

1 前言

混凝土作為最廣泛使用的建筑材料之一，其抗?jié)B性能直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命。然而，傳統(tǒng)混凝土在面對水分、化學物質(zhì)侵蝕時表現(xiàn)不佳，容易導致鋼筋腐蝕和混凝土破壞。近年來，研究發(fā)現(xiàn)，添加特定的水泥基復合材料能改善混凝土的抗?jié)B性能。復合材料包括礦物摻合料、纖維增強材料等，它們能填充混凝土內(nèi)部的微小孔隙，形成更加致密的結(jié)構(gòu)。因此，探討不同種類水泥基復合材料對混凝土抗?jié)B性能的影響，對于提高建筑工程的質(zhì)量和耐久性具有重要意義。

2水泥基復合材料的分類與特性

水泥基復合材料通過添加不同的增強材料來提升其性能。表1是三種常見的水泥基復合材料及其特性。

3水泥基復合材料對混凝土抗?jié)B性能的影響機制

3.1微觀結(jié)構(gòu)變化

水泥基復合材料摻入纖維或納米顆粒等組分，顯著改變混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)。例如，PVA纖維和玄武巖纖維在水泥基體中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可有效橋接微裂縫并限制裂縫擴展，減少孔隙連通性；納米SiO2顆粒則填充水泥漿體中的納米級孔隙，細化孔徑并降低總孔隙率[1]?？紫督Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化使混凝土內(nèi)部形成更致密的基體，降低毛細孔道的連續(xù)性和滲透通道的連通性。水分在混凝土中的遷移路徑因孔隙曲折度增加而被顯著延長，且孔徑的細化增加了水分滲透阻力，從而大幅提升抗?jié)B性。纖維的分散作用還可減少收縮裂縫的產(chǎn)生，進一步阻斷水分滲透的潛在路徑。

3.2化學反應過程

水泥基復合材料中的活性組分（如納米SiO2、礦物摻合料）可與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次化學反應。納米SiO2具有高火山灰活性，可與水泥水化生成的Ca（OH）2反應，生成額外的C-S-H凝膠，填充孔隙并形成致密化的微觀結(jié)構(gòu)；玄武巖纖維表面的堿性環(huán)境可促進纖維與基體的界面結(jié)合，形成穩(wěn)定的過渡區(qū)[2]。礦物摻合料的火山灰效應可消耗有害孔隙中的游離鈣離子，減少孔隙溶液的堿性析出。反應產(chǎn)物（如C-S-H凝膠、AFt晶體）不僅能直接堵塞毛細孔道，還能在孔隙表面形成低滲透的致密層，阻礙水分和離子的擴散[3]。二次反應生成的膠凝物質(zhì)可修復微裂縫，形成自愈效應，進一步降低滲透性。

3.3力學性能改進

水泥基復合材料增強混凝土的力學性能，也間接提升抗?jié)B性能。纖維的增韌作用可提高混凝土的抗拉強度和斷裂韌性，抑制微裂紋擴展，避免應力集中導致的貫通裂縫，從而阻斷水分滲透的主要通道；納米材料對基體的密實化作用可顯著提高抗壓強度和彈性模量，減少荷載作用下的結(jié)構(gòu)損傷[4]。力學性能的改善使混凝土在服役過程中更不易產(chǎn)生宏觀裂縫或局部剝落，維持結(jié)構(gòu)的整體性。纖維與基體的協(xié)同作用可降低干縮和溫度應力引起的開裂風險，而高密實度的基體則可減少孔隙水的遷移驅(qū)動力[5]。力學性能與抗?jié)B性的協(xié)同提升形成正反饋機制，使混凝土在復雜環(huán)境下兼具耐久性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4實驗方案

4.1實驗設計

4.1.1原材料選擇與準備

選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，確保其各項性能符合國家標準。細骨料為天然河砂，細度模數(shù)2.5～2.8，含泥量不超過1%；粗骨料采用5 mm～20 mm連續(xù)級配碎石，壓碎指標小于10%。減水劑采用聚羧酸高效減水劑，減水率≥25%。PVA纖維長度12 mm、直徑39μm，抗拉強度≥1600 MPa；玄武巖纖維長度15 mm、直徑13μm，抗拉強度≥2800 MPa；納米SiO2平均粒徑20 nm，比表面積≥200 m2/g。實驗前，將納米SiO2放置在80℃烘箱中干燥4 h，去除水分，避免影響實驗結(jié)果。

4.1.2混凝土基體配合比設計

以設計強度等級C30為目標，根據(jù)JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》進行配合比設計。確定水泥用量350 kg/m3、水膠比0.50、砂率38%。計算得出，在每立方米混凝土中，水用量175 kg、砂用量660 kg、石子用量1165 kg。在攪拌過程中，先將水泥、砂、石子干拌1 min，使物料混合均勻，再加入水和減水劑攪拌3 min，確保混凝土拌合物均勻一致。攪拌完成后，將混凝土澆筑到100 mm×100 mm×100 mm的立方體試模中，振搗密實，在溫度20±2℃、相對濕度≥95%的標準養(yǎng)護室養(yǎng)護24 h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護至28 d備用。

4.1.3水泥基復合材料制備

（1）PVA纖維增強水泥基材料。分別按照混凝土體積的0.5%、1.0%、1.5%摻入PVA纖維。攪拌時，先將PVA纖維與部分砂干拌2 min，使纖維均勻分散在砂中，避免纖維結(jié)團。然后加入剩余原材料，攪拌時間延長至4 min，確保纖維在混凝土中均勻分布。澆筑、養(yǎng)護方式同混凝土基體。

（2）玄武巖纖維增強水泥基材料。按混凝土體積的0.8%、1.2%、1.6%摻入玄武巖纖維。攪拌工藝和養(yǎng)護方式與PVA纖維增強水泥基材料相同，確保纖維能有效增強混凝土性能。

（3）納米SiO2改性水泥漿液。將納米SiO2按水泥質(zhì)量的1%、3%、5%的比例，先與適量水配制成質(zhì)量分數(shù)為5%的納米SiO2溶膠，用高速攪拌器攪拌30 min，使其充分分散。再將溶膠加入混凝土原材料中，攪拌時間為4 min，保證納米SiO2均勻分散在混凝土中。澆筑、養(yǎng)護方式同混凝土基體。

4.1.4實驗組設置

（1）基體飽和度控制。

①0%飽和度（干燥基體）：將養(yǎng)護28 d的試件放入溫度50±5℃的烘箱中干燥至恒重，然后置于干燥器中冷卻備用。干燥過程中，每隔2 h用高精度電子天平（精度0.001g）稱重，當連續(xù)兩次稱重差值小于0.01g時，視為達到恒重。②100%飽和度（飽和基體）：將試件完全浸泡在水中7 d，確保試件充分吸水飽和。③50%飽和度試件制備：將飽和試件取出，在空氣中放置一定時間，每隔30 min用高精度電子天平稱重，當試件質(zhì)量達到飽和質(zhì)量與干燥質(zhì)量差值的一半時，視為達到50%飽和度。采用動態(tài)質(zhì)量監(jiān)測法，實時記錄試件質(zhì)量變化，精確控制基體飽和度。

（2）表面處理。對部分試件進行表面切槽處理，切槽深度3 mm、寬度2 mm，切槽間距20 mm，切槽方向與試件受力方向垂直，模擬實際工程中混凝土表面可能出現(xiàn)的缺陷，研究表面處理對水泥基復合材料與混凝土基體粘結(jié)性能及抗?jié)B性能的影響。

4.2測試方法

4.2.1動態(tài)質(zhì)量監(jiān)測法控制基體飽和度

將試件放置在高精度電子天平上，置于恒溫恒濕環(huán)境箱中（溫度20±2℃、相對濕度60±5%）。在干燥或吸水過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔15 min自動記錄一次試件質(zhì)量，繪制質(zhì)量-時間曲線。根據(jù)曲線變化趨勢，判斷試件飽和度變化情況，確保達到目標飽和度時及時停止處理。

4.2.2稱重法測試毛細吸水性能

將達到不同飽和度的試件表面用干毛巾輕輕擦干，稱取初始質(zhì)量。將試件底部浸入水中2 mm，在0.5 h、2 h、8 h、12 h時取出，用干毛巾迅速吸干表面水分后再次稱重，分別記為m1、m2、m3、m4。根據(jù)公式C=計算毛細吸水系數(shù)，其中C為毛細吸水系數(shù)（kg/（m2·h0.5）），A為試件吸水面積（m2），ti為吸水時間（h）。

4.2.3界面剪切強度測試

采用推出試驗裝置進行測試。將水泥基復合材料與混凝土基體試件粘結(jié)面打磨平整，涂抹一層厚度為1 mm的環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑，然后將兩者緊密粘結(jié)在一起。在萬能材料試驗機上，以0.5 mm/min的加載速度施加水平推力，直至試件發(fā)生相對滑移，記錄此時的最大荷載。根據(jù)公式τ=計算界面剪切強度，其中τ為界面剪切強度（MPa），A為粘結(jié)面積（m2）。

4.2.4抗?jié)B性能測試

采用滲水高度法測試混凝土的抗?jié)B性能。將試件裝入混凝土抗?jié)B儀，從0.2 MPa開始施加水壓，每隔8 h增加0.1 MPa，直至試件表面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，記錄此時的水壓力P。根據(jù)公式S=10P-1計算抗?jié)B等級，S為抗?jié)B等級。沿試件直徑將其劈開，用游標卡尺測量滲水高度。

4.3實驗結(jié)果與討論

從實驗結(jié)果來看，PVA纖維增強水泥基材料在干燥基體（0%飽和度）時界面剪切強度最高，因為干燥基體表面無多余水分，纖維與基體之間的粘結(jié)更為緊密。隨著基體飽和度增加，水分在界面處積聚，削弱了纖維與基體的粘結(jié)力，導致界面剪切強度下降。其毛細吸水系數(shù)在干燥基體時最低，預濕基體時升高，說明干燥環(huán)境更有利于PVA纖維增強水泥基材料發(fā)揮抗?jié)B作用。

納米SiO2改性水泥漿液在不同基體飽和度下均表現(xiàn)出良好的抗?jié)B性能，滲水高度較低，由于納米SiO2與水泥的二次反應生成的大量C-S-H凝膠填充孔隙，形成致密結(jié)構(gòu)。即使在高飽和度基體中，其抗?jié)B性能仍能保持穩(wěn)定。納米SiO2改性水泥漿液具有顯著的自愈能力，在試件出現(xiàn)微小裂縫時，其內(nèi)部的納米顆?？膳c周圍水分和水泥水化產(chǎn)物反應，生成新的凝膠物質(zhì)填充裂縫，進一步提高抗?jié)B性。

玄武巖纖維增強水泥基材料的各項性能指標介于PVA纖維增強水泥基材料和納米SiO2改性水泥漿液之間。其纖維的增強作用使混凝土的抗?jié)B性能有所提高，但由于玄武巖纖維與水泥基體的粘結(jié)性能相對較弱，其界面剪切強度和抗?jié)B性能提升幅度不如PVA纖維增強水泥基材料和納米SiO2改性水泥漿液明顯。

5結(jié)論

研究表明，水泥基復合材料的應用顯著提升了混凝土的抗?jié)B性能，尤其是在優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)、促進二次化學反應以及改進力學性能方面效果顯著。PVA纖維和玄武巖纖維增強了混凝土的韌性和抗裂能力，而納米SiO2則細化孔隙結(jié)構(gòu)并生成更多的C-S-H凝膠，進一步提高了密實度和抗?jié)B性。然而，不同材料的效果受基體飽和度和表面處理方式的影響。未來，應更深入地探索多種因素的最佳組合，進一步考察水泥基復合材料在長期服役環(huán)境中的耐久性，以及其在實際工程應用中的可行性。

參考文獻

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作者簡介：王彤（1970.04-），男，漢族，福建福州人，大專，實驗師，研究方向：土建、水利工程。