纳米碳酸钙和聚乙烯醇纤维增强混凝土抗弯拉性能

张 鹏， 杨永辉， 亢洛宜， 张天航

(郑州大学水利科学与工程学院,郑州 450001)

混凝土具有抗压强度高、刚度大、强度等级范围宽等特点。基础设施建设的快速发展使混凝土材料的应用领域越来越广,也推动了混凝土材料朝着高耐久性、高工作性、高强度、可持续发展和智能化等方面发展。然而混凝土抗拉强度低,收缩变形大和脆性高的特点,一直限制着混凝土在特殊结构或构件上的使用,也降低了混凝土结构的使用年限,为此可在混凝土中掺加适量短纤维材料。在各种纤维材料中,PVA纤维由于具有较高的强度和弹性模量以及较好的耐磨性和抗酸碱,在混凝土中的应用越来越广泛。纳米CaCO3掺入普通硅酸盐水泥中可促进水泥水化和Ca(OH)2的生成,提高水泥水化速度,将其掺入混凝土中可改善混凝土基体的微观结构,提升混凝土的力学性能[1]。在混凝土中掺入适量的粉煤灰,可以改善混凝土拌和物的和易性,提高混凝土的后期强度,也可以提高混凝土抗渗性、耐磨性等耐久性。然而在混凝土中掺加大量粉煤灰会导致其早期强度和抗弯拉性能降低。为解决这一问题,可在混凝土中掺加适量纳米粒子。

Noushini等[2]在混凝土中掺入0.25%和0.5%体积剂量的PVA纤维,通过四点弯曲试验研究了PVA纤维对混凝土的动态力学性能的影响,结果表明,PVA纤维能提高混凝土的抗弯拉强度和其他力学性能。邓宗才等[3]在混凝土中掺加PP(聚丙烯)纤维和不同掺量的PVA纤维,通过小梁三分点加载试验探究了PVA纤维对混凝土弯曲性能的影响,结果表明,PVA纤维显著增强了混凝土的弯曲韧性和抗变形能力,当PP纤维和PVA纤维体积掺量都为0.1%时,混凝土抗弯拉强度达到最大值。黄正宇等[4]在超高性能混凝土中掺加2%的纳米CaCO3,通过试验并借助微观测试手段,研究了纳米CaCO3对超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)水化产物和力学性能的影响,结果表明,纳米CaCO3掺入UHPC后,UHPC的强度明显提高,纳米CaCO3的掺入对UHPC水化产物含量和特性都有显著影响。目前,混凝土相关的研究成果中,有关纳米CaCO3和PVA纤维增强混凝土抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量的成果较缺乏,因此,在系统试验的基础上,研究了纳米CaCO3和 PVA纤维分别单掺或复掺时对混凝土抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量的影响。相关成果可为促进纳米CaCO3和PVA纤维增强混凝土在实际工程中的应用提供依据。

1 试验概述

1.1 原材料

水泥:采用P.O 42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料:河砂,表观密度为为2.65 g/m3,细度模数为2.91,吸水率为0.38%；粗骨料:花岗岩碎石,最大粒径为20 mm,密度为1 653 kg/m3,比重为2.64；高效减水剂:减水率为22%；粉煤灰:一级粉煤灰,密度为2.13 g/cm3,比表面积为2 464 cm2/g；纳米CaCO3:呈白粉末状,CaCO3的含量高于99%,成本比纳米SiO2低,价格为纳米SiO2的1/10,其主要物理性能如表1所示；PVA纤维:性能如表2所示；水:自来水。

表1 纳米CaCO3主要物理性能

表2 PVA纤维的物理性能

1.2 试验配合比

为了探讨纳米CaCO3和PVA纤维掺量对掺粉煤灰混凝土抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量的影响规律,混凝土配合比设计中保持胶凝材料总量为500 kg/m3和水胶比0.35不变,在基准混凝土配合比的基础上仅改变纳米CaCO3和PVA纤维掺量,其中纳米CaCO3分别等量取代1%、2%、3%和4%的水泥；PVA纤维作为混凝土的掺和料,采用外掺法,其体积掺量分别为0.05%、0.10%、0.15%和0.20%,为了确保混凝土拌和物的和易性,通过掺加高效减水剂来调整新拌混凝土的工作性。混凝土的配合比如表3所示。

1.3 试验方法

试验采用尺寸为100 mm × 100 mm× 400 mm的小梁试件来测试纳米CaCO3和PVA纤维增强混凝土的抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量,每组配合比制备6个试件,共制备54个试件,所有的试件浇筑成型后,在混凝土振动台上振动,持续时间为1 min。试件成型1 d后进行脱模,置于标准养护室(室温为20±2 ℃,相对湿度>95%)养护28 d。试件达到养护龄期后,每组配合比取出3个试件先进行混凝土抗弯拉强度试验,以确定抗弯拉弹性模量试验施加荷载。抗弯拉弹性模量试验中施加荷载取1/2抗弯拉强度对应的荷载值,另外3个试件进行混凝土抗弯拉弹性模量试验。试验采用的试验仪器为混凝土抗折试验机,采用千分表测试试件跨中挠度。混凝土抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量试验均采用三分点加载法(即采用三分点处双点加荷和三点自由支撑式抗弯拉试验装置)。试验试件采用的是非标准小梁试件,其抗弯拉强度的实际值等于抗弯拉强度的计算值乘以试件尺寸换算系数0.85[5]。

表3 混凝土配合比

2 试验结果与分析

2.1 纳米CaCO3对混凝土抗弯拉强度的影响

图1给出了粉煤灰混凝土抗弯拉强度随着纳米CaCO3掺量增加的变化情况。从图1中可以看出,在未掺加PVA纤维时,粉煤灰混凝土中掺加纳米CaCO3后,其抗弯拉强度随着纳米CaCO3掺量的增加呈现出先增大而后减小的变化规律。当纳米CaCO3掺量从0增加到3%时,相对于基准粉煤灰混凝土的抗弯拉强度,其增幅为10.1%；当纳米CaCO3掺量为3%时,其抗弯拉强度达到最大值；随着纳米CaCO3掺量继续增加到4%,粉煤灰混凝土抗弯拉强度略微降低。

图1 纳米CaCO3掺量对混凝土抗弯拉强度的影响Fig.1 Effect of nano-CaCO3 content on flexural strength of concrete

当粉煤灰混凝土中掺加适量的纳米CaCO3(≤ 3%)时,由于纳米CaCO3粒径小,比表面积较大,分子表面又存在大量的不饱和键,其分子活性较高,纳米粒子可与粉煤灰混凝土中的3CaO·Al2O3发生水化反应,生成针状的碳铝酸钙水化产物,能填充混凝土的孔隙,提高混凝土基体的密实度,因此提高了混凝土的抗弯拉强度。一方面纳米CaCO3粒子在水泥水化的过程中会产生晶核效应,既能促进混凝土基体中硅酸三钙(C3S)的水化速度,也可使纳米CaCO3粒子与混凝土基体中C-S-H和Ca(OH)2等物质更好地键合在一起,形成三维网状结构,使得水泥砂浆与混凝土基体之间的摩擦力和黏结力增大,从而使粉煤灰混凝土的内部结构性能得到改善,提高了混凝土基体的抗弯拉强度[6-7]。另一方面在水泥水化的过程中,大量粒径尺寸较小的纳米CaCO3粒子均匀地分布在混凝土基体中,能填充在粉煤灰混凝土的孔隙中,使混凝土中的孔径变得更小,从而使混凝土基体变得更加均匀密实,因而提高了混凝土基体的抗弯拉强度[6]。当纳米CaCO3掺量过高(>3%)时,使混凝土基体需水量增大,过高的水胶比会增大混凝土基体内的孔隙率,从而降低了混凝土基体抗弯拉强度；当纳米CaCO3粒子数量过大时,其在混凝土基体中不容易分布均匀,纳米CaCO3粒子易发生团聚现象,纳米粒子增强作用减小,致使粉煤灰混凝土抗弯拉强度有一定降低[8]。

2.2 PVA纤维对混凝土抗弯拉强度的影响

图2给出了不同掺量的PVA纤维对掺粉煤灰和纳米CaCO3混凝土抗弯拉强度的影响。从图2中可以看出,PVA纤维的加入使混凝土的抗弯拉强度略有提高。当PVA纤维体积掺量由0增加到0.15%时,掺粉煤灰和纳米CaCO3混凝土的抗弯拉强度逐渐增大,与未掺加PVA纤维的混凝土相比,其抗弯拉强度增量约为30%；当PVA纤维掺量为0.15%时,其抗弯拉强度达到最大值。随着PVA纤维掺量继续增加到0.2%,掺粉煤灰和纳米CaCO3混凝土的抗弯拉强度逐渐降低。

图2 PVA纤维掺量对混凝土抗弯拉强度的影响Fig.2 Effect of PVA fiber content on flexural strength of concrete

当PVA纤维体积掺量较少(<0.15%)时,PVA纤维可提高掺粉煤灰和纳米CaCO3混凝土的抗弯拉强度。大量均匀分散的PVA纤维在混凝土基体内与胶凝材料形成三维网状支撑体系,PVA纤维与混凝土基体之间有较好的黏结性能。根据纤维间距理论,当试件有出现裂缝的倾向或者出现细小的裂纹时,就会有至少一根PVA纤维阻止裂缝的进一步扩展,同时把试件所受的拉应力传递给混凝土基体,PVA纤维起到了桥联作用,缓解了混凝土内部应力集中的现象,使混凝土试件的抗弯拉强度增大[9]。当PVA纤维体积掺量较大(>0.15%)时,PVA纤维在混凝土基体内易出现团聚现象,使混凝土的内部组成分布不均匀,根据复合材料理论,纤维使混凝土基体内的应力重新分布,造成混凝土基体内应力分布不均匀,使混凝土基体产生开裂,因此导致混凝土试件的抗弯拉强度降低；同时由于纤维的掺量过多,使混凝土基体内部孔隙增多,PVA纤维的引气作用以及试件在浇筑振捣成型的过程中会产生大量的空隙,导致混凝土基体内裂纹增多,因此使混凝土基体的抗弯拉强度降低[10]。

2.3 纳米CaCO3对混凝土抗弯拉弹性模量的影响

图3给出了粉煤灰掺量为15%的混凝土抗弯拉弹性模量随着纳米CaCO3掺量增加的变化情况。从图3可以看出,随着纳米CaCO3掺量的不断增大,粉煤灰混凝土试件的抗弯拉弹性模量呈现先增大后减小的趋势。当纳米CaCO3掺量从0增大到3%时,相对于未掺加纳米CaCO3粉煤灰混凝土试件的抗弯拉弹性模量,其增幅为3.5%,并在纳米CaCO3掺量为3%时,混凝土基体的抗弯拉弹性模量达到最大值；随着纳米CaCO3掺量继续增加到4%时,混凝土基体的抗弯拉弹性模量相对于基准试件的降幅为0.24%。

图3 纳米CaCO3掺量对混凝土抗弯拉弹性模量的影响Fig.3 Effect of nano-CaCO3 content on flexural modulus of elasticity of concrete

混凝土的抗弯拉弹性模量不仅与混凝土中的组成材料有关,还与混凝土的孔隙率、密度以及集料界面黏结性能等有关[11]。适量的纳米CaCO3(≤3%)掺入粉煤灰混凝土后,纳米CaCO3粒子的填充作用、水化作用和晶核作用使粉煤灰混凝土中的孔隙率降低,结构更加密实,当试件所承受的应力不变时,其应变减小,因此其抗弯拉弹性模量增大；另一方面，由于纳米CaCO3粒子掺入使得混凝土基体界面中C-S-H凝胶的含量增加,也改变了Ca(OH)2单一方向排列性能,使混凝土基体界面处的水化产物逐渐形成空间网状立体结构,从而改善了集料与界面的黏结性能,因此提高了混凝土的抗弯拉弹性模量[12]。随着纳米CaCO3掺量的继续增大,由于纳米 CaCO3粒径较小,比表面积较大,大量的纳米CaCO3颗粒很难均匀分散在混凝土基体中,容易出现结团现象,混凝土试件在养护的过程中会出现自收缩现象,裂纹的扩展速度加快,也会使混凝土基体界面处孔隙率加大,从而使混凝土抗弯拉弹性模量降低；另外，纳米 CaCO3晶核作用使得混凝土基体界面处胶凝材料增加,使得界面过渡区的厚度增加也会使抗弯拉弹性模量降低[13]。

2.4 PVA纤维对混凝土抗弯拉弹性模量的影响

图4给出了PVA纤维掺量对粉煤灰掺量为15%和纳米CaCO3掺量为3%的混凝土抗弯拉弹性模量的影响。从图4中可以看出,当PVA纤维掺量从0增加到0.05%时,随着PVA纤维掺量的增加,混凝土的抗弯拉弹性模量逐渐增大；当PVA纤维掺量从0.05%继续增大到0.2%时,随着PVA纤维掺量的增加,混凝土的抗弯拉弹性模量逐渐降低。当PVA纤维掺量分别为0.1%、0.15%和0.2%时,与基准混凝土(未掺加纳米CaCO3)相比,其抗弯拉弹性模量降幅分别为0.7%、2.1%和4.8%。

图4 PVA纤维掺量对混凝土抗弯拉弹性模量的影响Fig.4 Effect of PVA fiber content on flexural modulus of elasticity of concrete

在混凝土中加入适量的(<0.05%)PVA纤维,大量细微纤维能均匀地分布在混凝土中,混凝土试件受到外力作用时,会使试件内部产生细微的裂缝,当裂缝的宽度较小时,纤维能够跨过细小的裂纹,裂缝处的荷载通过纤维传递到混凝土基体中,从而使试件内部的裂纹处应力集中现象降低,应力分布均匀和试件的变形减少,因此提高了混凝土基体的抗弯拉弹性模量[14]。由于PVA纤维弹性模量较高,PVA纤维中的氢键以及不规则的形状与胶凝基体黏结性和机械咬合力较强,从而提高了混凝土基体的刚度,因此使混凝土基体的抗弯拉弹性模量提高[15]。PVA纤维在高掺量的情况下,往往会导致混凝土的微孔/裂缝体积增加,也使PVA纤维与混凝土基体之间的界面黏结性变弱,使得混凝土在外力作用下的变形速率大于应力速率,从而降低了混凝土的抗弯拉弹性模量。

3 结论

(1) 纳米CaCO3掺量对粉煤灰混凝土试件的抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量均有较大的影响。当纳米CaCO3掺量由0增加到3%时,粉煤灰混凝土的抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量随着纳米CaCO3掺量的增加有逐渐增大的趋势；纳米CaCO3最佳掺量为3%,其抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量均达到最大值；当纳米CaCO3掺量超过3%时,其抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量有逐渐降低的趋势。

(2) 掺入适量的PVA纤维可以提高掺加纳米CaCO3和粉煤灰混凝土的抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量。随着PVA纤维体积掺量的增大,纳米CaCO3和粉煤灰混凝土的抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量逐渐增大,当PVA纤维体积掺量超过0.05%时,试件的抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量有逐渐减小的趋势。