纳米SiO2和聚乙烯醇纤维对混凝土抗弯拉性能的影响

2021-05-14代思源吕亚军

科学技术与工程 2021年10期

张鹏，代思源，王磊，吕亚军

(1.郑州大学水利科学与工程学院，郑州 450001； 2.华北水利水电大学建筑学院，郑州 400046)

随着中国交通基础设施建设的发展，在高等级公路的大量桥梁工程中，混凝土桥面铺装被广泛应用。然而，传统桥面铺装混凝土自身存在重量大、抗拉强度低、韧性差、脆性高、裂缝宽度难以控制等缺点，因此在使用过程中，特别是在施工过程中会出现大量不同类型的裂缝。要弥补这些缺陷，最有效的方法就是在混凝土复合材料中加入纤维[1]。在混凝土中掺入纤维材料可使混凝土的破坏形态和强度均有所改善[2]。适用于混凝土复合材料的常用纤维有钢纤维、聚丙烯(PP)纤维和聚乙烯醇(PVA)纤维。在各种纤维中，钢纤维是一种理想的混凝土增强材料，但在结构工程中的应用一直因其造价高、抗腐蚀性差而备受争议[3]。而PVA纤维不仅可使普通混凝土复合材料获得良好的延性，而且，在一定程度上避免了钢纤维混凝土复合材料的局限性[4-6]。PVA纤维的弹性模量高于PP纤维，PP纤维增强水泥基复合材料结构性能较好。PVA纤维与水泥基体具有良好的界面黏结性，对复合材料的力学性能具有较大的增强作用[7]。计涛等[8]的研究结果表明，在抗冲磨混凝土中分别掺入PVA纤维和PP纤维，混凝土的抗冲磨强度均有提高，且PVA纤维混凝土具有较大的极限拉伸强度、较高的劈拉强度和抗冲磨强度。

纳米技术的应用可使传统建筑材料性能有较大提升，纳米材料可广泛应用于土木工程中的各种特殊结构。陈坚等[9]探究了纳米SiO2的掺加对钢纤维增强混凝土抗压强度的影响，结果表明纳米SiO2能提高普通混凝土和钢纤维混凝土的立方体抗压强度，特别是早期抗压强度。黄功学等[10]通过试验研究了掺加纳米SiO2混凝土的各种耐久性，并探讨了纳米粒子对混凝土耐久性提升的作用机理，其结果表明，由于SiO2纳米粒子的存在，混凝土基体的微观结构得到了较大改善，纳米粒子有效地填充了材料内部微细孔隙，使得混凝土基体的耐久性有较大幅度提升。对桥面铺装用混凝土而言，抗弯拉性能是其路用性能最重要的性能之一，尽管纤维和纳米材料被越来越多地用于混凝土工程，但目前缺乏关于PVA纤维和纳米SiO2增强粉煤灰混凝土抗弯拉性能研究方面的相关成果。因此，在试验基础上探究了PVA纤维和SiO2纳米粒子对掺加粉煤灰混凝土抗弯拉性能的影响。

1 试验概况

1.1 原材料

试验中所采用的水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，由河南新乡孟电水泥厂生产；所采用的粉煤灰为一级粉煤灰，由大唐洛阳热电有限责任公司生产。PVA纤维采用日本可乐丽公司生产的PVA纤维，物理性能如表1所示。细骨料为天然河砂，其吸水率为0.38，比重为2.65，细度模数为2.91，粗骨料采用最大粒径为20 mm花岗岩碎石。试验中采用高效减水剂调节混凝土的拌和物工作性(星辰化工，减水率为22%)。纳米材料采用纳米SiO2(浙江万景新材料有限公司)，其物理性能如表2所示。

1.2 试验配合比

试验设计了两个系列配合比，分别揭示纳米SiO2和PVA纤维掺量对混凝土抗弯拉性能的影响。两组混凝土配合比中胶凝材料用量恒定为500 kg/m3，高效减水剂的剂量为4.5 kg/m3，水胶比为0.36。课题组前期进行了相关正交试验，即改变纳米SiO2的掺量和PVA纤维体积掺量，得出了二者协同作用下的最优配比，结果表明，纳米SiO2掺量为5%时对混凝土的增强作用最大[4, 11-13]。因此，研究中第1组试验设计了5种混凝土配合比，粉煤灰等量取代15%质量的水泥，纳米SiO2的掺量分别为0、1%、3%、5%、7%。第2组试验设计了四种混凝土配合比，每组配合比掺5%纳米SiO2和15%粉煤灰，PVA纤维体积掺量分别为0.05%、0.10%、0.15%、0.2%。所有材料中粉煤灰、细骨料、粗骨料和水的用量相同，混凝土配合比如表3所示。

表1 PVA纤维的物理性能

表2 纳米SiO2的物理性能

表3 混凝土配合比

1.3 试验方法

1.3.1 混凝土制备

未掺纳米SiO2或PVA纤维的基准混凝土拌和过程如下：首先将细骨料和粗骨料搅拌1 min，加入水泥和粉煤灰后再次搅拌60 s，然后加入水和减水剂，搅拌120 s。在掺有纤维和纳米粒子混凝土搅拌过程中，为使纳米粒子和纤维在混凝土基体内能均匀分散，对上述搅拌程序进行调整为。首先将粗骨料和细骨料在搅拌机中混合搅拌60 s，然后将纳米SiO2、水泥和粉煤灰等胶凝材料掺入并搅拌120 s，之后加入减水剂和拌和用水再搅拌180 s，最后将PVA纤维分散开撒入混凝土后继续搅拌120 s。

1.3.2 混凝土流动性试验

按照《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)进行新拌混凝土流动性试验。搅拌完成后，立即进行混凝土拌和物流动性试验，然后制备抗弯拉试验所需试件。试件静置24 h后进行脱模，然后置于标准养护环境中养护28 d后进行试验。新拌混凝土的流动性采用混凝土拌和物坍落扩展度进行评价，每个配比混凝土均进行3次试验后取平均值作为试验最终结果。

1.3.3 混凝土抗弯性能试验

根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)，每种配合比混凝土制备6个400 mm×400 mm×100 mm的小梁式试件，其中3个试件用于测试抗弯拉强度，另3个试件用于测试抗弯拉弹性模量，抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量试验在电液伺服万能试验机上进行。

2 试验结果与分析

2.1 纳米粒子和纤维对混凝土拌和物流动性的影响

图1所示为粉煤灰掺量固定为15%，不同纳米SiO2掺量时混凝土拌和物的坍落扩展度。与未掺纳米颗粒的混凝土相比，掺加7%纳米SiO2混凝土的坍落扩展度降低了23%。随着纳米SiO2掺量的提高，混凝土的工作性呈现逐渐降低的趋势。纳米SiO2颗粒的比表面积大、表面原子能量高，因而，纳米颗粒吸附大量水分，且纳米颗粒容易发生团聚。大的纳米SiO2团聚体不能作为混凝土内部空隙填料，而团聚体本身也会吸附大量的自由水，因此剩下用于改善混凝土工作性能的自由水减少，从而导致混凝土工作性能的降低[14-15]。杜祥飞等[16]的研究表明，若在制备过程中直接往水泥浆体中加入粉状纳米SiO2，则纳米颗粒难以均匀分散，既使事先对粉体纳米SiO2进行超声处理，仍不能避免大部分纳米SiO2颗粒发生团聚现象，其二次粒径最高可达到微米级。

图1 纳米SiO2掺量对坍落扩展度的影响

图2 PVA纤维对坍落扩展度的影响

图2给出了纳米SiO2掺量固定为5%，纤维掺量从0逐渐增大到0.2%时纳米混凝土复合材料拌和物坍落扩展度的变化。从图2中可看出，PVA纤维掺加到纳米混凝土中会导致混凝土拌和物坍落扩展度减小，且减小幅度与PVA纤维体积掺量有关，随纤维体积掺量增大逐渐减小。由于PVA纤维在混凝土复合材料内部可形成三维网状结构，这种网状结构增大了混凝土的内部流动阻力，使混凝土材料均匀性变差，从而降低了混凝土拌和物流动性。而且PVA 纤维具有较强的亲水性，大量的自由水被吸附在纤维表面，因此，随着PVA纤维体积掺量的增加，包裹纤维所需要的水泥浆增加，使得纳米混凝土流动性降低[17-18]。

2.2 纳米SiO2和PVA纤维对混凝土抗弯拉强度的影响

不同掺量的纳米SiO2和PVA纤维对混凝土小梁试件抗弯拉强度的影响如图3所示。从图3中可以看出，未掺纳米SiO2基准混凝土抗弯拉强度为6.42 MPa，当纳米SiO2的用量增加到5%时，试件的抗弯拉强度逐渐增加到8.09 MPa，增大了26%。之后，当纳米SiO2的用量增加到7%时，抗弯强度略微降低到7.33 MPa。纳米SiO2表面存在大量不饱和Si-O残键及不同键和状态的羟基，所以具有高反应活性。当纳米颗粒均匀分散于水泥中后，能以自身为核心并与水泥水化产物紧密结合。纳米粒子的高活性可进一步促进水泥水化反应，提高水泥砂浆的早期强度。此外，高活性的纳米SiO2粒子能够参与火山灰反应，其产物有助于改善胶结料之间的黏结效果，使混凝土的界面过渡区得到增强。

图3 纳米SiO2和PVA纤维对抗弯拉强度的影响

PVA纤维的掺入提高了混凝土复合材料的抗弯拉强度。当PVA纤维掺量为0.15%时，混凝土复合材料的抗弯拉强度达到最大值。混凝土内大量乱向分布PVA纤维起到了较强的加筋作用，当混凝土在弯曲荷载作用下产生裂缝后，由于纤维与水泥浆黏合效果良好，横跨裂缝的纤维可以桥接一些裂缝，帮助基体继续承载，直到PVA纤维断裂或被拉出，从而提高了混凝土的抗弯拉强度。较高的PVA纤维掺量对试件的抗弯拉强度具有一定负面影响，这可能是由于纤维分布不均匀以及混凝土中大量纤维不定向造成的，同时过高的掺量会增大纤维与水泥浆料的界面面积，提高微裂缝发生的可能性。与基准配合比小梁的破坏情况不同，PVA纤维增强混凝土小梁试件的破坏存在一个过程，即试件开裂后，纤维与混凝土基体之间的内聚力仍能承受一部分弯曲应力，从而防止裂纹快速生长，使得试件的破坏模式由脆性破坏转变为延性破坏。

2.3 纳米SiO2和PVA纤维对混凝土抗弯拉弹性模量的影响

图4(a)给出了纳米SiO2掺量对混凝土复合材料抗弯拉弹性模量的影响。从图4(a)中可看出，纳米SiO2的掺入有效地提高了混凝土的抗弯拉弹性模量。当纳米SiO2的掺量为5%时，纳米颗粒对混凝土复合材料抗弯拉弹性模量的增强效果最佳。随着纳米SiO2颗粒掺量的增加，混凝土小梁试件抗弯拉弹性模量呈现小幅增加，其原因可主要归于纳米颗粒的纳米效应，由于纳米颗粒的成核作用和火山灰反应，众多细小的纳米颗粒为水泥水化产物的结晶和长大提供了数量庞大的附着点，有效促进了水泥和粉煤灰的水化反应，从而使界面过渡区和混凝土基体内的微观结构更加致密，使抗弯拉弹性模量有一定增加[19]。

图4 纳米SiO2和PVA纤维对抗弯拉弹性模量的影响

图4(b)给出了纳米混凝土抗弯拉弹性模量随PVA纤维体积掺量增大的变化趋势。从图4(b)中可看出，少量(体积掺量低于0.1%)PVA纤维的掺加提高了纳米混凝土的抗弯拉弹性模量，但当PVA纤维体积掺量大于0.1%时，纤维对掺纳米粒子混凝土抗弯拉弹性模量有一定降低。与基准混凝土相比，纤维体积掺量分别为0.05%和0.1%时，纳米混凝土的抗弯拉弹性模量分别提高了1.4%和3.2%，而当纤维体积掺量分别为0.15%和0.2%时，纳米混凝土的抗弯拉弹性模量分别降低了0.9%和3.8%。在弯曲荷载作用下，当混凝土小梁处于弹性阶段时，混凝土内产生较少的裂缝，纤维在弯曲荷载作用下混凝土中所起作用类似于受压荷载作用下混凝土材料中纤维的作用。当纤维掺量较大时，大量纤维在混凝土复合材料中会产生更多的微裂缝区域(纤维-砂浆界面区域)，混凝土变形增大速率将高于混凝土复合材料在荷载作用下的应力增长速率，从而降低了混凝土复合材料的抗弯拉弹性模量。