基于CEM法摻納米材料混凝土斷裂韌度試驗研究

楊茂軍

摘要：針對道路工程水泥混凝土路面斷板、斷角及脆裂等韌性不足的缺點，文章采用混凝土等效膠砂法成型等體積水泥膠砂試件，并在試件成型過程中添加納米SiO2與納米CaCO3材料取代等質量水泥，經28d標準養生后，通過三點彎曲梁法測得水泥膠砂試件的位移一荷載曲線及開口位移（COD），用以計算雙K參數斷裂韌度。結果表明：摻1%納米SiO2與1%納米CaCO3的水泥膠砂試件具有較高的起裂韌度與失穩韌度，可作為有效降低混凝土脆性的增韌外加組份。

關鍵詞：道路工程;混凝土;等效膠砂;納米材料;斷裂韌度

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.011

文章編號：1673-4874（2019）07-0032-03

0引言

目前，眾多專家學者對納米材料應用于高強高性能混凝土中的研究較多，由于納米SiO2與納米CaCO3具備物理填充效應及其晶核作用等，可在微一納觀層面改善混凝土的微觀結構并促進水泥水化以提高混凝土強度。然而，將納米材料應用于道路水泥混凝土中的研究還比較少。為改善道路水泥混凝土的韌性并優化其孔隙結構，本文研究采用納米SiO2與納米CaCO3取代等質量水泥作為制備混凝土的外加組份進行斷裂韌度試驗，計算并分析了摻納米材料的混凝土雙K參數斷裂韌度及納米材料的作用機制。研究可為改善道路工程中水泥混凝土路面韌性不足的缺點提供重要的技術參考。

1原材料與試驗方案

研究采用水泥混凝土等效膠砂（ConcreteEquivalentMorta r，CEM）法，即通過計算粗骨料表面積而換算出等表面積的砂的質量并直接以這部分砂取代粗骨料。選取P.042.5普通水泥（C）、標準砂（S）、聚羧酸系高效減水劑（A）以及自來水（W）制備水泥混凝土等效膠砂試件（以下簡稱“等效試件”）。在等效試件的制備過程中，納米SiO2與納米CaCO3經取代等水泥質量后與細骨料及水泥一同攪拌并延長攪拌時間，再加入水與減水劑成型試件。試驗配合比如表1所示。

等效試件以40mm×40mm×160mm（t×h×I）三聯模分層澆筑并振動成型。需注意的是，每個三聯模樣槽內長邊均緊貼放置了一塊10mm×40mm×160mm（t×h×I）的有機玻璃板，并且在其跨中處也有一塊1mm×10mm×40mm（t×h×I）的有機玻璃板制作預制裂縫。等效試件成型后，置于標準養護室養護3d后拆模并繼續存放于該養護室內至養生時間達到28d。研究按照《DLT5332-2005水工混凝土斷裂試驗規程》中三點彎曲梁法進行等效試件斷裂韌度試驗并進行雙K參數計算。

2試驗結果及分析

等效試件三點彎曲梁法斷裂韌度試驗結果和雙K參數計算如表2所示。

2.1納米siO2對雙K參數的影響

圖1顯示了等效試件峰值荷載及其斷裂韌度隨納米SiO2摻量變化的規律。

由圖1可知，等效試件的起裂韌度與失穩韌度均隨著納米SiO2摻量的提高而呈現出先增大后減小的趨勢。當納米SiO2摻量分別為1%與2%時，等效試件失穩韌度分別提高6.5%與13%;而當納米SiO2摻量為4%時，失穩韌度降低了11l 5%。其主要原因是納米SiO2物理填充效應的顯著發揮，對等效試件孔結構具有一定的改善作用，填充了毛細孔甚至納米級別的凝膠孔，使其更加密實;另外，火山灰效應與晶核作用共同發揮，使SiO2與Ca（OH）2生成了較多的低硅鈣比C-S-H凝膠;由于其比表面積較大，納米SiO2表面將生長更多的C-S-H凝膠形成鏈狀或空間網狀結構，而這些凝膠晶體尺寸較小可填充在較大的孔縫中，因而從內部增強了等效試件的強度并提高了彈性模量，試件變得更致密。然而，隨著納米SiO2摻量的提高，等效試件所承受的峰值荷載逐漸上升，當其摻量到達4%時，峰值荷載明顯降低且低于CO組;同時，位移一荷載曲線在峰值荷載后的軟化曲線段提示，當納米SiO2摻量超過1%后，試件在相同荷載作用下的豎向位移減小，意味著試件延性降低，脆裂現象將更不明顯。這主要是由于納米SiO2摻量較大時，其在減少水泥熟料含量的同時也吸收了大量水分，在制樣過程中易引入更多的空氣，最終形成較大的孔隙;另外，很多納米SiO2早期并未直接參與水化而是團聚在一起形成一個薄弱區，在試件內部形成了原生裂損，最終降低了試件內部強度，從而造成脆性增大。因此，等效試件中納米SiO2摻量應≤1%。

2.2納米GaGO3對雙K參數的影響

納米CaCO3摻量對等效試件峰值荷載及斷裂韌度的影響如圖2所示。

由圖2表明，納米CaCO3對等效試件的起裂韌度與失穩韌度同樣有改善作用，1%的納米CaC03提高了9.5%的失穩韌度，但隨著其摻量的提高，改善作用將呈現負增長;4%的納米CaC03則降低了試件15.8%的失穩韌度。其主要原因是單摻納米CaCO3時，由于其粒徑較小，可同樣有效地填充到試件內部孔縫及水泥石中，提高材料的密實度;同時，由于納米CaCO3的微集料作用，改善了水泥與熟料顆粒的分布狀況，使熟料顆粒與水的接觸面更大，促進水泥水化。另外，在相同摻量條件下，納米CaCO3體積比納米SiO2小，等效試件內部產生原生裂損相對較少，而且相對較粗的未水化的納米CaCO3顆粒則在裂縫擴展時發揮連接裂縫兩端漿體的作用，限制裂紋的進一步擴展并承受一部分豎向荷載，當位移一荷載曲線經過峰值荷載后，延長了豎向位移并延緩荷載的下降趨勢，提高了試件的延性。然而隨著納米CaCO3摻量的增加，等效試件的峰值荷載先增大而后持續下降，這表明其所承受的最大荷載在逐步降低，且在相同荷載條件下，軟化曲線段也越來越陡，表明試件脆性在逐漸加大。這主要是由于過多的納米CaCO3易團聚產生薄弱區，并由于其與c3A反應生成的水化碳鋁酸鈣包裹在熟料顆粒周圍與過多納米CaCO3附著在熟料顆粒表面，阻止了熟料與水的接觸，從而降低了等效試件內部強度并且形成了十分脆弱的界面。因此，納米CaCO3的摻量也應≤1%。

2.3納米siO2與納米GaGO3耦合對雙K參數的影響

納米材料耦合作用對等效試件峰值荷載及斷裂韌度的影響如圖3所示。

由圖3可知，當兩種納米材料摻量均較低時，等效試件斷裂韌度均有顯著提高，1%納米SiO2與1%納米CaCO3提高了試件36.2%的失穩韌度，同時提高了11.9%的峰值荷載，并大幅提高了軟化曲線段所對應的豎向位移。與各納米材料單摻1%時相比，在提高等效試件斷裂韌度上起到了“1+1>2”的納米超疊作用，對等效試件韌性起到了極大的改善作用。這主要因為兩種納米材料均未超過各自的最優摻量，從納米級的凝膠孔到試件內部的粗孔縫，大部分都被納米材料所填充并充當晶核繼而促進火山灰反應，從內部大大改善了試件密實度，降低了平均孔徑。然而當兩種納米材料摻量均為2%時，等效試件失穩強度僅提高6.1%，峰值荷載提升不明顯，說明兩者的摻量均不宜過高。其原因是兩種納米材料在相同水膠比條件下，吸附了較多的自由水，同時在等效試件內部發生了部分團聚現象并造成了薄弱區的產生，雖然兩者的超疊效應仍然在發揮作用，但已被自身帶來的原生缺陷大幅削弱，因此納米材料在較高的摻量下，對等效試件斷裂韌度的改善有限。

綜上所述，研究建議在水泥混凝土等效膠砂試件中，為更好地發揮納米材料的物理填充效應、火山灰效應以及晶核作用，當單摻納米SiO2或單摻納米CaCO3時，摻量均應≤1%;而當復摻納米材料時，1%納米SiO2與1%納米CaCO3耦合對改善斷裂韌性效果更好。

3結語

納米SiO2與納米CaCO3對水泥混凝土等效膠砂的斷裂韌度都具有一定的改善效果，無論二者是單摻還是復摻，等效試件的峰值荷載、起裂韌度及失穩韌度基本上隨著納米材料的摻量呈現先增大后減小的趨勢，但過高的納米材料摻量將大幅削弱該韌性改善作用甚至最終提高試件的脆性。研究推薦1%納米SiO2與1%納米CaCO3作為道路混凝土外加增韌組份，以改善斷裂韌性而降低脆性。