经冻融循环后PVA-纳米SiO2混凝土抗冲击性能研究

肖 瑛 韩文宇 杨 萌

（烟台大学土木工程学院，山东 烟台 264003）

随着现代工业的发展，混凝土已经运用于许多大型工程，如水坝、电站、码头等，但在寒冷地区，如我国北方及南方高海拔地区，混凝土受到冻融环境的影响，其耐久性经受着严峻的考验。而对于水坝电站等水工结构，不仅要求其抗冻性能优异，在抗冲击方面有了更高的要求。

目前，国外研究者对PVA 纤维和纳米SiO2材料使用于水泥中的成果相对较少，但Mattaqin Hasan[1]通过冻融循环系统实验，探讨了在冻融循环系统应用后混凝土应力-应变的变化特征，并得出了应力-应变曲线中各特征变化和冻融循环次数间变化的关系式。王纯璇等[2]深入研究了冻融循环系统对PVA 玻璃纤维水泥防冻耐久的负面影响，并依据最小二乘法原理和混凝土损伤变量的概念，构建了一个Weibull 概率分布的PVA 玻璃纤维水泥冻融破坏模式。关瑞等[3]探讨了冻融循环系统对纳米再生水泥抗压性能的负面影响。研究表明，经过纳米材料强化的再生混凝土，其抗压强度有较大幅度的提高，特别是早期强度。杨伟[4]研究了纳米SiO2对再生骨材混凝土抗冻特性的影响，由于纳米SiO2掺量的增加，再生骨材混凝土的耐压性能以及相对动弹性模量都呈现前增加后下降态势，适当的纳米SiO2可以改善再生混凝土的抗冻特性。赵小明等[5]人研究了单掺PVA玻璃纤维与混掺钢纤维体积含量与PVA玻璃纤维混凝土的抗冻特性，并根据相对动弹性模量与抗压、抗拉强度，构建了玻璃纤维混凝土的冰冻过程与破坏模式。孙琳[6]深入研究了在各种掺量条件下，纳米SiO2改性水泥的抗盐冻能力。开展了三点弯曲实验，深入研究了其折断韧度和断裂能损失率，并根据此形成的盐冻融损伤回归方程。田建宗、逯静洲[7]等人对混凝土冻融循环在疲劳负荷影响下的损伤工作中的，疲劳荷载的作用会明显降低混凝土的抗冻性。

由此可见，学者们对混凝土中掺加PVA 纤维与纳米SiO2仅仅是做了掺量或建立损伤模型等探究，而将两者结合后对混凝土的抗冻及抗冲击性能的提升并未有太多研究，本文在混凝土中加入PVA 纤维以及纳米SiO2，研究了其增强混凝土抗冲击性的机理。

1 试验设计

1.1 试件材料与配合比

试验选用的主要材料为冀东牌PO42.5R 型普通硅酸盐水泥，其化学成分见表1；粗骨材则采用了10mm～30mm 级配的瓦砾颗粒；细骨料选用细度模数小于2.8的自然河沙；水选用烟台自来水；减水剂选用聚羧酸等高效减水剂；引气剂为灰霸牌混凝土引气剂。PVA 纤维的性能参数见表2；纳米SiO2由河北科泽金属板材公司设计制造，性能参数见表3。

表1 水泥的化学组成/%

表2 PVA纤维的性能参数

表3 纳米SiO2的性能参数

配合比遵循JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计标准》和DLT5330—2015《水工混凝土配合比设计标准》来制定本试验的方法，详情见表4。

表4 混凝土配合比/kg/m3

1.2 试件设计和试验方法

1.2.1 试件设计

试验试块尺寸：高63.5mm，直径152mm的圆柱体，用于冻融后的抗冲击试验；100mm×100mm×100mm 的立方体试块则为强度测试。试件从浇筑完成至拆模为24h，拆模后放入环境温度为20℃±3℃，湿度95%的环境中养护28d后取出进行试验。

1.2.2 试验内容

将已养护好的混凝土试块放入桶中加入清水内浸渍3d，然后再经过0 次、25 次、50 次、75 次、100 次的冻融循环实验，冻融设备使用由天津市港源测试仪器厂提供的混凝土快速冻融测试机，如图1所示。抗冲击试验装置采用落锤式纤维混凝土专用抗冲击装置，如图2所示，试验时，将试块底部抹上黄油以此减少横向约束，随后将试件放于带有定位钢片的基座，将直径为63.5mm 的钢球置于试块上表面中心，并将泡沫垫置于定位钢片与试块之间，以便于观察初裂。试验时，在落距为45.7cm 处将质量为4.5kg 的钢块落下冲击试件上的钢球，由此传递冲击能量，最后记录下试件初裂与终裂的冲击次数。

图1 快速冻融机

图2 落锤冲击设备

2 试验结果

在分别对普通混凝土（PT）、单掺SiO2的混凝土（SI）、单掺PVA纤维的混凝土（PVA）、掺PVA-纳米SiO2（PSI）的混凝土进行冻融0 次、25 次、50 次、75 次以及100 次冻融后，对试块进行抗冲击试验，整理出冲击次数与冻融循环次数的关系图。从图3 可知：较PT 对比组，在冻融前，PSI抗冲击次数提高了98次；PVA抗冲击次数提高了87次；SI抗冲击次数提高了11次。在25次冻融后，PSI抗冲击次数提高了109次，相对于冻融前增长了11.2%；PVA抗冲击次数提高了84次，与冻融前并无明显提高；SI提高了15次，与冻融前无明显提高。在冻融50 次后，PSI 抗冲击次数提高了160 次，相对于冻融前增长了63.3%；PVA 抗冲击次数提高了109 次，相对于冻融前增长了25.3%；SI提高了59次，相对冻融前增长了436.3%，增长大幅度提高。在75 次冻融后：PSI抗冲击次数提高了189 次，相对于冻融前增长了92.9%；PVA抗冲击次数提高了111次，相对于冻融前增长了27.5%；SI 提高了79 次，相对冻融前增长了618.2%。在冻融100 次后，PSI 抗冲击次数提高了202次，相对于冻融前增长了106.1%；PVA抗冲击次数提高了115 次，相对于冻融前增幅为32.1%；SI 抗冲击次数提高了88 次，相对于冻融前增幅为700%。由此可见，在未冻融时，单纳米SiO2的掺入对混凝土的抗冲击性能提高作用并不明显，而其提高混凝土抗冲击性能的机理是纳米SiO2的掺入提高了混凝土的长期抗冻能力，从而间接提高了混凝土的抗冲击性能，在冻融全龄期内平均提高幅度约为15.6%，这种提高随着冻融龄期的增长会越发明显。而PVA的掺入会在冻融全龄期内提高混凝土的抗冲击性能，平均提高幅度大约为31.4%。PVA纤维和纳米SiO2材料一起掺入混凝土中，不仅可以改善了混凝土抗冻性能，而在全冻融期都可以提高其抗冲击性，平均抗冲击性提高约47%。

图3 4种类型试块抗冲击次数与冻融龄期关系图

由此可见在所有冻融龄期内，抗冲击性能优异性从高至低排序为：PSI＞PVA＞SI＞PT。造成这种现象的原因是两种材料的加入改变了混凝土的抗冲击性与抗冻性，其中PVA 纤维的加入增强了混凝土的抗冲击性能，SiO2的加入增强了混凝土的抗冻性。

3 结语

本实验模拟在自然的冻融环境作用下，对比出四种混凝土抗冲击性能的优异性，对四种混凝土冻融后的抗冲击试验结果分析后得出以下结论:

（1）添加PVA纤维不能直接提高混凝土的抗冻性能，但在其抗冲击性能方面会有较大的提升，平均抗冲击性提高约31.4%。但单掺纳米SiO2等材料并没有直接改善混凝土的抗冲击特性，而只是在提高混凝土的抗冻性能之后改善了其抗冲击特性，平均提高了约15.6%，而随着冻融龄期的提高，混凝土的抗冲击特性改善更显著。

（2）PVA 纤维能够极大地提高混凝土的抗冲击特性，而纳米SiO2则是通过改善了混凝土的抗冻性能，从而间接改善了其抗冲击特性，将PVA 纤维和纳米SiO2材料一起掺入混凝土中，不仅可以改善了混凝土抗冻性能，而在全冻融期都可以提高其抗冲击性，平均抗冲击性提高约47%。