聚乙烯醇纤维-纳米二氧化硅水工混凝土抗冻性能试验研究

韩佳琪

(沧州水利勘测规划设计院有限公司，河北 沧州 061000)

1 材料与方法

1.1 试验材料

此次试验研究使用的是P·O42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料为粒径范围5～20 mm的连续级配人工石灰岩碎石；细骨料为机制砂，细度模数为2.65；试验用水为普通自来水；减水剂为聚羧酸高效减水剂。

试验用聚乙烯醇纤维为徐州永泰化工科技有限公司生产，主要技术指标如下：长度12 mm，直径15 μm，断裂伸长率6.9%，抗压强度1830 MPa，弹性模量40 GPa，密度1.29 g/cm3。

试验用纳米二氧化硅为天津新科科技有限公司生产，其主要技术指标如下：粒径20 nm，体积密度0.06 g/cm3，比表面积240 m2/g，纯度为99.85%。

1.2 试验方案

研究中以水工建设中常用的C30混凝土为基准进行配合比设计，聚乙烯醇纤维和纳米二氧化硅的掺量参考相关单掺试验的研究成果确定[1-5]。此次试验仅以对比实验的方式探讨复掺方案对水工混凝土抗冻性的影响，不考虑聚乙烯醇纤维和纳米二氧化硅不同掺量水平配比可能对试验结果的影响[6]。其中，聚乙烯醇纤维的掺加量以体积分式0.1%确定，纳米二氧化硅的掺量以质量分数1.0%替代等量水泥材料，试验方案设计和材料用量如表1所示。

表1 不同试验方案单方配合比 kg

1.3 试验方法

此次试验采用100 mm×100 mm×400 mm的长方体试件。在混凝土材料制作过程中，首先按照配合比方案设计称量好各种试验材料，并将粗骨料、细骨料和水泥倒入搅拌机搅拌1 min。对于普通混凝土，加入水搅拌60 s；对于单掺聚乙烯醇纤维方案，则加入聚乙烯醇纤维搅拌60 s，再加入水搅拌60 s；对于单掺纳米二氧化硅方案，则加入纳米二氧化硅和水的混合液并搅拌120 s；对于复掺方案，则加入聚乙烯醇纤维搅拌60 s，再加入纳米二氧化硅和水的混合液并搅拌120 s。将制作完成的混凝土材料迅速倒入试模成型，在脱模编号后放入标准养护室养护至28 d龄期备用。

试件的冻融试验采用NELD-BFC 型快速冻融试验机，并按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)中的快冻法要求进行。试验结束后通过对试验数据的整理和对比分析，对不同方案试件的抗冻性进行比较和评价。

2 试验结果与分析

2.1 质量损失率

根据试验中测试的试件质量数据，计算获取不同试验方案、不同冻融循环次数的质量损失率，结果如表2所示。为了直观呈现质量损失率的变化规律，以试验数据为依据，绘制出质量损失率随冻融循环次数的变化规律，如图1所示。从试验结果可以看出，各方案试件的质量损失率随着冻融循环次数的增加，呈现出先小幅减小后不断增大的变化特点。在冻融循环25次时各方案试件的质量均有小幅增加，原因是在冻融循环初期，试件内部会产生一些微裂隙并吸水，同时在微裂隙中产生一些水化物沉积，而混凝土试件表面剥落较为有限，因此试件的质量表现为小幅增加。之后，随着试件表面剥落情况逐渐趋于严重，试件质量不断下降，且下降的速率也不断加快。从不同试验方案的对比来看，单掺聚乙烯醇纤维和纳米二氧化硅方案的质量损失率均小于普通混凝土方案，说明两者均具有提高混凝土抗冻性的作用。相对而言，掺加聚乙烯醇纤维方案的效果更佳，原因可能是掺加聚乙烯醇纤维方案更有利于控制混凝土表面和内部的微裂隙，减少冻融循环下混凝土试件表面剥落。4种试验方案对比，复掺方案的优势最为明显，100次冻融循环试验后的质量损失率最小，原因是复掺方案可以充分发挥两种材料的抗冻作用，因此抗冻性能更佳。

图1 质量损失率变化曲线

表2 各方案质量损失率试验结果 %

2.2 相对动弹模量

根据试验中测试的试件质量数据，计算获取不同试验方案、不同冻融循环次数的动弹模量，结果如表3所示。为了直观呈现动弹模量的变化规律，以试验数据为依据，绘制出动弹模量随冻融循环次数的变化规律，如图2所示。从试验结果可以看出，随着冻融循环次数的增加各方案的相对动弹模量均呈现出不断减小的变化趋势，且减小的速率不断加快。从不同试验方案的横向对比来看，在冻融循环次数相同的情况下，单掺聚乙烯醇纤维和纳米二氧化硅方案的相对动弹模量均大于普通混凝土方案，说明两者均具有提高混凝土抗冻性的作用。相对而言，掺加聚乙烯醇纤维方案的效果更佳。4种试验方案中，相对动弹模量最大的是复掺方案，说明复掺方案更有利于提高冻融循环作用下混凝土的相对动弹模量。

图2 相对动弹模量变化曲线

表3 各方案相对动弹模量试验结果 %

2.3 抗压强度

根据试验中测试的试件抗压强度数据，计算获取不同试验方案、不同冻融循环次数的抗压强度，结果如表4所示。为了直观呈现抗压强度的变化规律，研究中计算获取不同冻融循环次数下的抗压强度损失率，其变化曲线如图3所示。从试验结果可以看出，复掺聚乙烯醇纤维和纳米二氧化硅方案的初始抗压强度值最大，其次是单掺聚乙烯醇纤维方案，再次是单掺纳米二氧化硅方案，普通混凝土方案的初始抗压强度值最小。究其原因，主要是在混凝土掺入聚乙烯醇纤维或纳米二氧化硅能够有效提升混凝土的整体性和密实度，可以提升混凝土的初始抗压强度。另一方面，随着冻融循环次数的增加，抗压强度损失率呈现出不断增大的变化趋势。相对而言，复掺方案的抗压强度损失率增加最慢，其次是单掺聚乙烯醇方案，再次是单掺纳米二氧化硅方案，普通混凝土方案的抗压强度损失率增加幅度最大。由此可见，复掺方案的初始抗压强度最大，且抗压强度损失率最小，具有显著的优势。

图3 抗压强度损失率变化曲线

表4 抗压强度试验结果 MPa

3 结 语

在寒区水利工程建设中，混凝土结构的抗冻融性能十分重要，是影响工程质量和耐久性的重要因素。此次研究利用室内试验的方式，探讨了聚乙烯醇纤维-纳米二氧化硅水工混凝土抗冻性能。试验结果显示，在水工混凝土中同时掺入聚乙烯醇纤维和纳米二氧化硅与单掺二氧化硅或聚乙烯纤维方案相比，可以有效降低冻融循环条件下的质量损失率，提高其相对动弹模量和抗压强度，具有良好的抗冻性。研究结论可以为理论研究和工程实践提供有益的支持和借鉴。当然，此次研究仅针对单一掺量水平展开，在今后的研究中应该针对聚乙烯醇纤维和纳米二氧化硅的不同掺量水平组合展开试验，以获得最佳掺量水平组合，为工程设计建设提供更有利的支持。