钢纤维纳米SiO2混凝土强度的试验研究

陈 刚，高丹盈，王 东，李 琛

（1.郑州大学 新型建材与结构研究中心，河南 郑州 450002；2.湖北水总水利水电建设股份有限公司，湖北 武汉 430034）

普通混凝土因其强度相对较低、极限延伸率小、性脆、抗渗效果较差等缺点，在实际工程中的应用具有一定的局限性.利用微观和细观复合化是改善混凝土性能的重要手段.细观复合是在普通混凝土中引入乱向分布的短纤维，由于纤维自身的抗拉强度大、延伸率大，使混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击强度及延伸率和韧性都得以提高[1].微观复合是将微观尺度的物质掺加到混凝土当中，利用其小尺寸、量子尺寸、表面及界面效应，从微观结构、水化效率和界面性能等方面的改善赋予普通混凝土更高的性能.

因此，细观复合和微观复合和在各自层次上作用机理是不相同的.那么，通过微观和细观的共同复合来进一步提高混凝土性能就成为了建筑复合材料发展过程中的一个新的研究方向.为此，笔者将钢纤维和纳米材料共同加入到混凝土当中，试验研究了钢纤维体积分数、纳米材料替代水泥质量对混凝土抗压和劈拉强度的影响.

1 试验概况

1.1 试验材料

试验采用42.5普通硅酸盐水泥；细骨料为级配良好的天然中河砂，细度模数2.7；粗骨料为级配连续的天然石灰石碎石，粒径5～20mm；贝卡尔特切断弓形钢纤维：公称直径0.55±10%mm，长度35±10%mm，抗拉强度1345±15%MPa；纳米SiO2：主含量 99.5%，白色粉末状，平均粒径为30 nm，比表面积200±10m2/g，表观密度40～60 g/L，pH值5～7，灼烧失重6%；外加剂为聚羧酸高效减水剂.

1.2 试验方法

试验以钢纤维的体积分数、纳米SiO2的掺量（替代水泥质量的比率）作为变化参数研究钢纤维纳米混凝土的抗压及劈拉强度.钢纤维体积分数从0.0%到1.5%；纳米SiO2掺量从0.0%到2.0%.试验参数变化组合以及混凝土的配合比如表1所示.

纳米SiO2的掺加方式不同，对混凝土基体强度的影响效果也不同，将纳米材料掺入减水剂后作用于混凝土的效果要优于作为掺合料直接用于混凝土，掺入减水剂的方式既解决了纳米材料的聚团问题，又可减小减水剂的用量[2].因此，本试验中纳米材料的掺加方式为：将纳米SiO2分散于水中后掺入减水剂混合均匀，然后与钢纤维一起倒入水泥、砂、石的拌合物中搅拌.

钢纤维纳米混凝土的抗压强度和劈拉强度试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50080-2002）和《纤维混凝土试验方法标准》（CECS13-2009）要求制作边长为150mm的立方体试件，每组3个试件，标准养护至28 d后按上述规程规定的试验方法测试.

表1 试验参数变化组合及混凝土配合比Table 1 Experimentalparametersandm ix proportion of concrete

2 钢纤维纳米混凝土的抗压强度

2.1 抗压强度试验现象

普通混凝土试块在达到极限荷载时，外围混凝土伴随着巨响突然爆裂，荷载迅速归零，仅存有核心的楔形残余部分.钢纤维掺入到混凝土以后，极限荷载后仍存有不同程度的残余强度，并且能够明显听到试件受到挤压以及钢纤维脱离混凝土时发出的响声，同时观察到试件表面有多条纵向裂缝，但结构相对完整，呈现出一定的塑性特征.纳米SiO2的掺入以及掺量的增加并没有改变混凝土的破坏现象及特征.

2.2 钢纤维体积分数对抗压强度的影响

钢纤维的体积分数与钢纤维纳米混凝土的抗压强度的关系如图1所示.由图1知，钢纤维纳米混凝土的抗压强度随钢纤维体积分数的增大而得到相应的增强.钢纤维体积分数为0.5%时，抗压强度为52.16 MPa，相对0.0%钢纤维体积分数试件的抗压强度，增幅达到16.40%；钢纤维体积分数增加至1.0%时，抗压强度为53.35 MPa，相对于前者增幅减缓，增幅为19.06%；当钢纤维体积分数达到1.5%时，抗压强度又较大幅度地提高至58.68MPa，增幅29.03%.

对文献[3-5]中普通强度混凝土抗压强度试验结果统计分析发现，当钢纤维体积分数在0.0%～1.5%时，钢纤维混凝土抗压强度最大提高25%左右，且往往在此体积分数范围内存在强度峰值.对于普通混凝土而言，基体的密实度决定了最终的抗压强度，较多的钢纤维掺入以后，钢纤维比表面积增加但缺乏足够的浆体包裹与填充，也由于在成型过程中搅拌振捣不实等人为因素造成钢纤维混凝土密实度下降，致使钢纤维掺量增加到一定程度后抗压强度降低.本文试验中掺入钢纤维的同时又掺加了1%的纳米SiO2.纳米SiO2的极小颗粒有效地填充了浆体，细化了钢纤维在基体中引入的微小缺陷，另外纳米SiO2能够促进水泥浆体水化生成C-S-H胶凝，改善了水泥石的微观结构，提高了水泥基体的密实度[6-8]，是钢纤维体积分数达到1.5%仍取得较大强度增长的关键所在.

2.3 纳米材料掺量对抗压强度的影响

图2给出了不同纳米SiO2掺量与钢纤维纳米混凝土抗压强度的关系.由图2可知，在钢纤维体积分数同为1%的情况下，随着纳米SiO2掺量增加，试块的强度缓慢增长.相对于不掺纳米材料的钢纤维混凝土，当掺量从0.5%增加到2%时，抗压强度从50.27MPa提高至58.68MPa，增幅范围为4.73～16.73%.

从试验结果可以看出，纳米SiO2掺量越高，混凝土的抗压强度的提高幅度也就越大.更多的纳米SiO一方面可以更大程度上地填充水泥基复合材料的微小孔隙，提高密实度；另一方面，更有效地细化了界面中的Ca(OH)2晶粒并充分吸收了界面富集的Ca(OH)2晶体，减小了Ca(OH)2含量[8]，进一步提高了水化效率，这对混凝土抗压强度的增长是有利的.

3 钢纤维纳米混凝土的劈拉强度

3.1 劈拉强度试验现象

普通混凝土在达到初裂荷载后，伴随着脆响荷载迅速下降，试件随即沿中线被劈开为两半.钢纤维混凝土在产生初裂以后荷载并未立即达到极限，破坏面的两侧仍然依靠裂缝间的钢纤维连接成为一个整体，持续荷载作用下，钢纤维从基体间缓慢被拔出，随着裂缝逐渐增大，拔出端钢纤维的弯钩被拉直，钢纤维的存在进一步提高了极限荷载.试验过程中同样未发现纳米SiO2的掺入及掺量变化对混凝土破坏现象及特征的改变.

3.2 钢纤维体积分数对劈拉强度的影响

钢纤维体积分数与劈拉强度的关系如图1所示.由图1可知，随着钢纤维体积分数的增大，劈拉强度也相应的呈增长态势.当钢纤维体积分数为0.5%，1.0%，1.5%时，对应的劈拉强度值分别为3.94 MPa，4.80MPa，6.76MPa，相比于0.0%钢纤维体积分数的试件强度，提高了71%，108%和193%.

我国《纤维混凝土结构技术规程》（CECS：38-2004）规定，钢纤维混凝土的抗拉强度计算公式为：

利用式 (1)和式 (2)对本文的试验数据进行回归分析，得到钢纤维对纳米混凝土的劈拉强度影响系数为1.945，与试验值的相关系数为0.980．《纤维混凝土结构技术规程CECS：38-2004》在试验数据统计的基础上通过规律性分析，取切断弓形钢纤维对普通混凝土的强度影响系数为0.793 4．为了将普通钢纤维混凝土与钢纤维纳米混凝土的钢纤维增强效果进行比对，在采用上述规程提出的影响系数基础上，本文将试验得出的不掺纳米材料试件的劈拉强度代入式 (1)和式 (2)中，得到普通混凝土的劈拉强度计算值，并将计算结果与纳米混凝土劈拉强度计算值进行比较，如图3所示．可见，在钢纤维体积分数相同的情况下，纳米混凝土劈拉强度的提高幅度远大于普通混凝土.因此可以认为，在劈拉性能方面，纳米材料的掺入对钢纤维作用效率的提高具有很大的帮助.

3.3 纳米材料掺量对劈拉强度的影响

图2为不同纳米SiO2掺量与钢纤维纳米混凝土劈拉强度的关系.由图2可知，纳米SiO2掺量在0.5%时，劈拉强度达到最大，为5.16MPa，增幅9.09%；当纳米SiO2掺加至2%时，劈拉强度又逐步减小至4.72MPa，接近SiO2掺量为0%时的劈拉强度.

适量纳米SiO2的掺入改善了基体与钢纤维的界面过渡区，提高了两者之间的粘结性能，使钢纤维从基体中拔出需要消耗更多的能量，这是钢纤维纳米混凝土劈拉强度提高的一个因素.同时，由于本文试验采用的是将纳米SiO2替代等质量的水泥质量作为研究对象，水泥的胶结性能也是影响混凝土抗拉强度的一个重要原因，而纳米SiO2本身并不具有胶结特性，只是从微观上间接地提高混凝土的抗拉性能，且界面改善作用十分有限.因此，当纳米材料替代水泥质量的增多，并不会更进一步地增强钢纤维混凝土的抗拉性能.

4 结论

1）钢纤维掺入到纳米混凝土后，试件的破坏形态由脆性破坏转变为塑性破坏，抗压强度随钢纤维体积分数的提高而逐渐增大.钢纤维体积分数增加至1.5%时，抗压强度提高29.03%.

2）钢纤维可大幅提高纳米混凝土劈拉强度，随着体积分数的增加，作用效果愈加明显.钢纤维体积分数增加至1.5%时，劈拉强度提高193%，对纳米混凝土劈拉强度的影响系数为1.945.

3）纳米SiO2掺量的增多，钢纤维纳米混凝土的抗压与劈拉强度都有一定程度的提高.当纳米SiO2掺加至2%时，抗压强度提高16.73%.但纳米SiO2掺量大于0.5%时，劈拉强度没有得到进一步增长.

[1]高丹盈，刘建秀.钢纤维混凝土基本理论 [M].北京：科学技术文献出版社，1994.

[2]杨瑞海，陆文雄，余淑华，等.复合纳米材料对混凝土及水泥砂浆的性能影响 [J].重庆建筑大学学报，2007，29（5）：144-148.

[3]高丹盈，赵军，朱海堂.钢纤维混凝土设计与应用 [M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[4]章四明.钢纤维掺量对钢纤维混凝土强度的影响 [J].建筑科学，2008，24（3）：36-38.

[5]赵亮平，高丹盈，朱海堂.钢纤维对混凝土强度和韧性的影响 [J].华北水利水电学院学报，2012，33（6）：29-32.

[6]季韬，黄与舟，郑作樵.纳米混凝土物理力学性能研究初探 [J].混凝土，2003（3）：13-14，48.

[7]ParamitaMondal.Nanomechanicalpropertiesof cementitiousmaterials[D].Chicago：Northwestern University，2008.

[8]唐小萍，魏秀瑛，刘晓文，等.纳米SiO2提高不同龄期混凝土力学性能试验 [J].科技导报，2001，29（21）：64-69.