基于CEM法掺纳米材料混凝土断裂韧度试验研究

杨茂军

摘要：针对道路工程水泥混凝土路面断板、断角及脆裂等韧性不足的缺点，文章采用混凝土等效胶砂法成型等体积水泥胶砂试件，并在试件成型过程中添加纳米SiO2与纳米CaCO3材料取代等质量水泥，经28d标准养生后，通过三点弯曲梁法测得水泥胶砂试件的位移一荷载曲线及开口位移（COD），用以计算双K参数断裂韧度。结果表明：掺1%纳米SiO2与1%纳米CaCO3的水泥胶砂试件具有较高的起裂韧度与失稳韧度，可作为有效降低混凝土脆性的增韧外加组份。

关键词：道路工程;混凝土;等效胶砂;纳米材料;断裂韧度

中图分类号：U414 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.011

文章编号：1673-4874（2019）07-0032-03

0引言

目前，众多专家学者对纳米材料应用于高强高性能混凝土中的研究较多，由于纳米SiO2与纳米CaCO3具备物理填充效应及其晶核作用等，可在微一纳观层面改善混凝土的微观结构并促进水泥水化以提高混凝土强度。然而，将纳米材料应用于道路水泥混凝土中的研究还比较少。为改善道路水泥混凝土的韧性并优化其孔隙结构，本文研究采用纳米SiO2与纳米CaCO3取代等质量水泥作为制备混凝土的外加组份进行断裂韧度试验，计算并分析了掺纳米材料的混凝土双K参数断裂韧度及纳米材料的作用机制。研究可为改善道路工程中水泥混凝土路面韧性不足的缺点提供重要的技术参考。

1原材料与试验方案

研究采用水泥混凝土等效胶砂（ConcreteEquivalentMorta r，CEM）法，即通过计算粗骨料表面积而换算出等表面积的砂的质量并直接以这部分砂取代粗骨料。选取P.042.5普通水泥（C）、标准砂（S）、聚羧酸系高效减水剂（A）以及自来水（W）制备水泥混凝土等效胶砂试件（以下简称“等效试件”）。在等效试件的制备过程中，纳米SiO2与纳米CaCO3经取代等水泥质量后与细骨料及水泥一同搅拌并延长搅拌时间，再加入水与减水剂成型试件。试验配合比如表1所示。

等效试件以40mm×40mm×160mm（t×h×I）三联模分层浇筑并振动成型。需注意的是，每个三联模样槽内长边均紧贴放置了一块10mm×40mm×160mm（t×h×I）的有机玻璃板，并且在其跨中处也有一块1mm×10mm×40mm（t×h×I）的有机玻璃板制作预制裂缝。等效试件成型后，置于标准养护室养护3d后拆模并继续存放于该养护室内至养生时间达到28d。研究按照《DLT5332-2005水工混凝土断裂试验规程》中三点弯曲梁法进行等效试件断裂韧度试验并进行双K参数计算。

2试验结果及分析

等效试件三点弯曲梁法断裂韧度试验结果和双K参数计算如表2所示。

2.1纳米siO2对双K参数的影响

图1显示了等效试件峰值荷载及其断裂韧度随纳米SiO2掺量变化的规律。

由图1可知，等效试件的起裂韧度与失稳韧度均随着纳米SiO2掺量的提高而呈现出先增大后减小的趋势。当纳米SiO2掺量分别为1%与2%时，等效试件失稳韧度分别提高6.5%与13%;而当纳米SiO2掺量为4%时，失稳韧度降低了11l 5%。其主要原因是纳米SiO2物理填充效应的显著发挥，对等效试件孔结构具有一定的改善作用，填充了毛细孔甚至纳米级别的凝胶孔，使其更加密实;另外，火山灰效应与晶核作用共同发挥，使SiO2与Ca（OH）2生成了较多的低硅钙比C-S-H凝胶;由于其比表面积较大，纳米SiO2表面将生长更多的C-S-H凝胶形成链状或空间网状结构，而这些凝胶晶体尺寸较小可填充在较大的孔缝中，因而从内部增强了等效试件的强度并提高了弹性模量，试件变得更致密。然而，随着纳米SiO2掺量的提高，等效试件所承受的峰值荷载逐渐上升，当其掺量到达4%时，峰值荷载明显降低且低于CO组;同时，位移一荷载曲线在峰值荷载后的软化曲线段提示，当纳米SiO2掺量超过1%后，试件在相同荷载作用下的竖向位移减小，意味着试件延性降低，脆裂现象将更不明显。这主要是由于纳米SiO2掺量较大时，其在减少水泥熟料含量的同时也吸收了大量水分，在制样过程中易引入更多的空气，最终形成较大的孔隙;另外，很多纳米SiO2早期并未直接参与水化而是团聚在一起形成一个薄弱区，在试件内部形成了原生裂损，最终降低了试件内部强度，从而造成脆性增大。因此，等效试件中纳米SiO2掺量应≤1%。

2.2纳米GaGO3对双K参数的影响

纳米CaCO3掺量对等效试件峰值荷载及断裂韧度的影响如图2所示。

由图2表明，纳米CaCO3对等效试件的起裂韧度与失稳韧度同样有改善作用，1%的納米CaC03提高了9.5%的失稳韧度，但随着其掺量的提高，改善作用将呈现负增长;4%的纳米CaC03则降低了试件15.8%的失稳韧度。其主要原因是单掺纳米CaCO3时，由于其粒径较小，可同样有效地填充到试件内部孔缝及水泥石中，提高材料的密实度;同时，由于纳米CaCO3的微集料作用，改善了水泥与熟料颗粒的分布状况，使熟料颗粒与水的接触面更大，促进水泥水化。另外，在相同掺量条件下，纳米CaCO3体积比纳米SiO2小，等效试件内部产生原生裂损相对较少，而且相对较粗的未水化的纳米CaCO3颗粒则在裂缝扩展时发挥连接裂缝两端浆体的作用，限制裂纹的进一步扩展并承受一部分竖向荷载，当位移一荷载曲线经过峰值荷载后，延长了竖向位移并延缓荷载的下降趋势，提高了试件的延性。然而随着纳米CaCO3掺量的增加，等效试件的峰值荷载先增大而后持续下降，这表明其所承受的最大荷载在逐步降低，且在相同荷载条件下，软化曲线段也越来越陡，表明试件脆性在逐渐加大。这主要是由于过多的纳米CaCO3易团聚产生薄弱区，并由于其与c3A反应生成的水化碳铝酸钙包裹在熟料颗粒周围与过多纳米CaCO3附着在熟料颗粒表面，阻止了熟料与水的接触，从而降低了等效试件内部强度并且形成了十分脆弱的界面。因此，纳米CaCO3的掺量也应≤1%。

2.3纳米siO2与纳米GaGO3耦合对双K参数的影响

纳米材料耦合作用对等效试件峰值荷载及断裂韧度的影响如图3所示。

由图3可知，当两种纳米材料掺量均较低时，等效试件断裂韧度均有显著提高，1%纳米SiO2与1%纳米CaCO3提高了试件36.2%的失稳韧度，同时提高了11.9%的峰值荷载，并大幅提高了软化曲线段所对应的竖向位移。与各纳米材料单掺1%时相比，在提高等效试件断裂韧度上起到了“1+1>2”的纳米超叠作用，对等效试件韧性起到了极大的改善作用。这主要因为两种纳米材料均未超过各自的最优掺量，从纳米级的凝胶孔到试件内部的粗孔缝，大部分都被纳米材料所填充并充当晶核继而促进火山灰反应，从内部大大改善了试件密实度，降低了平均孔径。然而当两种纳米材料掺量均为2%时，等效试件失稳强度仅提高6.1%，峰值荷载提升不明显，说明两者的掺量均不宜过高。其原因是两种纳米材料在相同水胶比条件下，吸附了较多的自由水，同时在等效试件内部发生了部分团聚现象并造成了薄弱区的产生，虽然两者的超叠效应仍然在发挥作用，但已被自身带来的原生缺陷大幅削弱，因此纳米材料在较高的掺量下，对等效试件断裂韧度的改善有限。

综上所述，研究建议在水泥混凝土等效胶砂试件中，为更好地发挥纳米材料的物理填充效应、火山灰效应以及晶核作用，当单掺纳米SiO2或单掺纳米CaCO3时，掺量均应≤1%;而当复掺纳米材料时，1%纳米SiO2与1%纳米CaCO3耦合对改善断裂韧性效果更好。

3结语

纳米SiO2与纳米CaCO3对水泥混凝土等效胶砂的断裂韧度都具有一定的改善效果，无论二者是单掺还是复掺，等效试件的峰值荷载、起裂韧度及失稳韧度基本上随着纳米材料的掺量呈现先增大后减小的趋势，但过高的纳米材料掺量将大幅削弱该韧性改善作用甚至最终提高试件的脆性。研究推荐1%纳米SiO2与1%纳米CaCO3作为道路混凝土外加增韧组份，以改善断裂韧性而降低脆性。