納米碳酸鈣和聚乙烯醇纖維增強混凝土抗彎拉性能

張 鵬， 楊永輝， 亢洛宜， 張?zhí)旌?/p>

(鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450001)

混凝土具有抗壓強度高、剛度大、強度等級范圍寬等特點?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展使混凝土材料的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,也推動了混凝土材料朝著高耐久性、高工作性、高強度、可持續(xù)發(fā)展和智能化等方面發(fā)展。然而混凝土抗拉強度低,收縮變形大和脆性高的特點,一直限制著混凝土在特殊結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的使用,也降低了混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限,為此可在混凝土中摻加適量短纖維材料。在各種纖維材料中,PVA纖維由于具有較高的強度和彈性模量以及較好的耐磨性和抗酸堿,在混凝土中的應(yīng)用越來越廣泛。納米CaCO3摻入普通硅酸鹽水泥中可促進水泥水化和Ca(OH)2的生成,提高水泥水化速度,將其摻入混凝土中可改善混凝土基體的微觀結(jié)構(gòu),提升混凝土的力學(xué)性能[1]。在混凝土中摻入適量的粉煤灰,可以改善混凝土拌和物的和易性,提高混凝土的后期強度,也可以提高混凝土抗?jié)B性、耐磨性等耐久性。然而在混凝土中摻加大量粉煤灰會導(dǎo)致其早期強度和抗彎拉性能降低。為解決這一問題,可在混凝土中摻加適量納米粒子。

Noushini等[2]在混凝土中摻入0.25%和0.5%體積劑量的PVA纖維,通過四點彎曲試驗研究了PVA纖維對混凝土的動態(tài)力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,PVA纖維能提高混凝土的抗彎拉強度和其他力學(xué)性能。鄧宗才等[3]在混凝土中摻加PP(聚丙烯)纖維和不同摻量的PVA纖維,通過小梁三分點加載試驗探究了PVA纖維對混凝土彎曲性能的影響,結(jié)果表明,PVA纖維顯著增強了混凝土的彎曲韌性和抗變形能力,當(dāng)PP纖維和PVA纖維體積摻量都為0.1%時,混凝土抗彎拉強度達到最大值。黃正宇等[4]在超高性能混凝土中摻加2%的納米CaCO3,通過試驗并借助微觀測試手段,研究了納米CaCO3對超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)水化產(chǎn)物和力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,納米CaCO3摻入UHPC后,UHPC的強度明顯提高,納米CaCO3的摻入對UHPC水化產(chǎn)物含量和特性都有顯著影響。目前,混凝土相關(guān)的研究成果中,有關(guān)納米CaCO3和PVA纖維增強混凝土抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量的成果較缺乏,因此,在系統(tǒng)試驗的基礎(chǔ)上,研究了納米CaCO3和 PVA纖維分別單摻或復(fù)摻時對混凝土抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量的影響。相關(guān)成果可為促進納米CaCO3和PVA纖維增強混凝土在實際工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗概述

1.1 原材料

水泥:采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥；細骨料:河砂,表觀密度為為2.65 g/m3,細度模數(shù)為2.91,吸水率為0.38%；粗骨料:花崗巖碎石,最大粒徑為20 mm,密度為1 653 kg/m3,比重為2.64；高效減水劑:減水率為22%；粉煤灰:一級粉煤灰,密度為2.13 g/cm3,比表面積為2 464 cm2/g；納米CaCO3:呈白粉末狀,CaCO3的含量高于99%,成本比納米SiO2低,價格為納米SiO2的1/10,其主要物理性能如表1所示；PVA纖維:性能如表2所示；水:自來水。

表1 納米CaCO3主要物理性能

表2 PVA纖維的物理性能

1.2 試驗配合比

為了探討納米CaCO3和PVA纖維摻量對摻粉煤灰混凝土抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量的影響規(guī)律,混凝土配合比設(shè)計中保持膠凝材料總量為500 kg/m3和水膠比0.35不變,在基準(zhǔn)混凝土配合比的基礎(chǔ)上僅改變納米CaCO3和PVA纖維摻量,其中納米CaCO3分別等量取代1%、2%、3%和4%的水泥；PVA纖維作為混凝土的摻和料,采用外摻法,其體積摻量分別為0.05%、0.10%、0.15%和0.20%,為了確保混凝土拌和物的和易性,通過摻加高效減水劑來調(diào)整新拌混凝土的工作性?；炷恋呐浜媳热绫?所示。

1.3 試驗方法

試驗采用尺寸為100 mm × 100 mm× 400 mm的小梁試件來測試納米CaCO3和PVA纖維增強混凝土的抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量,每組配合比制備6個試件,共制備54個試件,所有的試件澆筑成型后,在混凝土振動臺上振動,持續(xù)時間為1 min。試件成型1 d后進行脫模,置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室(室溫為20±2 ℃,相對濕度>95%)養(yǎng)護28 d。試件達到養(yǎng)護齡期后,每組配合比取出3個試件先進行混凝土抗彎拉強度試驗,以確定抗彎拉彈性模量試驗施加荷載。抗彎拉彈性模量試驗中施加荷載取1/2抗彎拉強度對應(yīng)的荷載值,另外3個試件進行混凝土抗彎拉彈性模量試驗。試驗采用的試驗儀器為混凝土抗折試驗機,采用千分表測試試件跨中撓度?；炷量箯澙瓘姸群涂箯澙瓘椥阅Ａ吭囼灳捎萌贮c加載法(即采用三分點處雙點加荷和三點自由支撐式抗彎拉試驗裝置)。試驗試件采用的是非標(biāo)準(zhǔn)小梁試件,其抗彎拉強度的實際值等于抗彎拉強度的計算值乘以試件尺寸換算系數(shù)0.85[5]。

表3 混凝土配合比

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 納米CaCO3對混凝土抗彎拉強度的影響

圖1給出了粉煤灰混凝土抗彎拉強度隨著納米CaCO3摻量增加的變化情況。從圖1中可以看出,在未摻加PVA纖維時,粉煤灰混凝土中摻加納米CaCO3后,其抗彎拉強度隨著納米CaCO3摻量的增加呈現(xiàn)出先增大而后減小的變化規(guī)律。當(dāng)納米CaCO3摻量從0增加到3%時,相對于基準(zhǔn)粉煤灰混凝土的抗彎拉強度,其增幅為10.1%；當(dāng)納米CaCO3摻量為3%時,其抗彎拉強度達到最大值；隨著納米CaCO3摻量繼續(xù)增加到4%,粉煤灰混凝土抗彎拉強度略微降低。

圖1 納米CaCO3摻量對混凝土抗彎拉強度的影響Fig.1 Effect of nano-CaCO3 content on flexural strength of concrete

當(dāng)粉煤灰混凝土中摻加適量的納米CaCO3(≤ 3%)時,由于納米CaCO3粒徑小,比表面積較大,分子表面又存在大量的不飽和鍵,其分子活性較高,納米粒子可與粉煤灰混凝土中的3CaO·Al2O3發(fā)生水化反應(yīng),生成針狀的碳鋁酸鈣水化產(chǎn)物,能填充混凝土的孔隙,提高混凝土基體的密實度,因此提高了混凝土的抗彎拉強度。一方面納米CaCO3粒子在水泥水化的過程中會產(chǎn)生晶核效應(yīng),既能促進混凝土基體中硅酸三鈣(C3S)的水化速度,也可使納米CaCO3粒子與混凝土基體中C-S-H和Ca(OH)2等物質(zhì)更好地鍵合在一起,形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使得水泥砂漿與混凝土基體之間的摩擦力和黏結(jié)力增大,從而使粉煤灰混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能得到改善,提高了混凝土基體的抗彎拉強度[6-7]。另一方面在水泥水化的過程中,大量粒徑尺寸較小的納米CaCO3粒子均勻地分布在混凝土基體中,能填充在粉煤灰混凝土的孔隙中,使混凝土中的孔徑變得更小,從而使混凝土基體變得更加均勻密實,因而提高了混凝土基體的抗彎拉強度[6]。當(dāng)納米CaCO3摻量過高(>3%)時,使混凝土基體需水量增大,過高的水膠比會增大混凝土基體內(nèi)的孔隙率,從而降低了混凝土基體抗彎拉強度；當(dāng)納米CaCO3粒子數(shù)量過大時,其在混凝土基體中不容易分布均勻,納米CaCO3粒子易發(fā)生團聚現(xiàn)象,納米粒子增強作用減小,致使粉煤灰混凝土抗彎拉強度有一定降低[8]。

2.2 PVA纖維對混凝土抗彎拉強度的影響

圖2給出了不同摻量的PVA纖維對摻粉煤灰和納米CaCO3混凝土抗彎拉強度的影響。從圖2中可以看出,PVA纖維的加入使混凝土的抗彎拉強度略有提高。當(dāng)PVA纖維體積摻量由0增加到0.15%時,摻粉煤灰和納米CaCO3混凝土的抗彎拉強度逐漸增大,與未摻加PVA纖維的混凝土相比,其抗彎拉強度增量約為30%；當(dāng)PVA纖維摻量為0.15%時,其抗彎拉強度達到最大值。隨著PVA纖維摻量繼續(xù)增加到0.2%,摻粉煤灰和納米CaCO3混凝土的抗彎拉強度逐漸降低。

圖2 PVA纖維摻量對混凝土抗彎拉強度的影響Fig.2 Effect of PVA fiber content on flexural strength of concrete

當(dāng)PVA纖維體積摻量較少(<0.15%)時,PVA纖維可提高摻粉煤灰和納米CaCO3混凝土的抗彎拉強度。大量均勻分散的PVA纖維在混凝土基體內(nèi)與膠凝材料形成三維網(wǎng)狀支撐體系,PVA纖維與混凝土基體之間有較好的黏結(jié)性能。根據(jù)纖維間距理論,當(dāng)試件有出現(xiàn)裂縫的傾向或者出現(xiàn)細小的裂紋時,就會有至少一根PVA纖維阻止裂縫的進一步擴展,同時把試件所受的拉應(yīng)力傳遞給混凝土基體,PVA纖維起到了橋聯(lián)作用,緩解了混凝土內(nèi)部應(yīng)力集中的現(xiàn)象,使混凝土試件的抗彎拉強度增大[9]。當(dāng)PVA纖維體積摻量較大(>0.15%)時,PVA纖維在混凝土基體內(nèi)易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象,使混凝土的內(nèi)部組成分布不均勻,根據(jù)復(fù)合材料理論,纖維使混凝土基體內(nèi)的應(yīng)力重新分布,造成混凝土基體內(nèi)應(yīng)力分布不均勻,使混凝土基體產(chǎn)生開裂,因此導(dǎo)致混凝土試件的抗彎拉強度降低；同時由于纖維的摻量過多,使混凝土基體內(nèi)部孔隙增多,PVA纖維的引氣作用以及試件在澆筑振搗成型的過程中會產(chǎn)生大量的空隙,導(dǎo)致混凝土基體內(nèi)裂紋增多,因此使混凝土基體的抗彎拉強度降低[10]。

2.3 納米CaCO3對混凝土抗彎拉彈性模量的影響

圖3給出了粉煤灰摻量為15%的混凝土抗彎拉彈性模量隨著納米CaCO3摻量增加的變化情況。從圖3可以看出,隨著納米CaCO3摻量的不斷增大,粉煤灰混凝土試件的抗彎拉彈性模量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)納米CaCO3摻量從0增大到3%時,相對于未摻加納米CaCO3粉煤灰混凝土試件的抗彎拉彈性模量,其增幅為3.5%,并在納米CaCO3摻量為3%時,混凝土基體的抗彎拉彈性模量達到最大值；隨著納米CaCO3摻量繼續(xù)增加到4%時,混凝土基體的抗彎拉彈性模量相對于基準(zhǔn)試件的降幅為0.24%。

圖3 納米CaCO3摻量對混凝土抗彎拉彈性模量的影響Fig.3 Effect of nano-CaCO3 content on flexural modulus of elasticity of concrete

混凝土的抗彎拉彈性模量不僅與混凝土中的組成材料有關(guān),還與混凝土的孔隙率、密度以及集料界面黏結(jié)性能等有關(guān)[11]。適量的納米CaCO3(≤3%)摻入粉煤灰混凝土后,納米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,結(jié)構(gòu)更加密實,當(dāng)試件所承受的應(yīng)力不變時,其應(yīng)變減小,因此其抗彎拉彈性模量增大；另一方面，由于納米CaCO3粒子摻入使得混凝土基體界面中C-S-H凝膠的含量增加,也改變了Ca(OH)2單一方向排列性能,使混凝土基體界面處的水化產(chǎn)物逐漸形成空間網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu),從而改善了集料與界面的黏結(jié)性能,因此提高了混凝土的抗彎拉彈性模量[12]。隨著納米CaCO3摻量的繼續(xù)增大,由于納米 CaCO3粒徑較小,比表面積較大,大量的納米CaCO3顆粒很難均勻分散在混凝土基體中,容易出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象,混凝土試件在養(yǎng)護的過程中會出現(xiàn)自收縮現(xiàn)象,裂紋的擴展速度加快,也會使混凝土基體界面處孔隙率加大,從而使混凝土抗彎拉彈性模量降低；另外，納米 CaCO3晶核作用使得混凝土基體界面處膠凝材料增加,使得界面過渡區(qū)的厚度增加也會使抗彎拉彈性模量降低[13]。

2.4 PVA纖維對混凝土抗彎拉彈性模量的影響

圖4給出了PVA纖維摻量對粉煤灰摻量為15%和納米CaCO3摻量為3%的混凝土抗彎拉彈性模量的影響。從圖4中可以看出,當(dāng)PVA纖維摻量從0增加到0.05%時,隨著PVA纖維摻量的增加,混凝土的抗彎拉彈性模量逐漸增大；當(dāng)PVA纖維摻量從0.05%繼續(xù)增大到0.2%時,隨著PVA纖維摻量的增加,混凝土的抗彎拉彈性模量逐漸降低。當(dāng)PVA纖維摻量分別為0.1%、0.15%和0.2%時,與基準(zhǔn)混凝土(未摻加納米CaCO3)相比,其抗彎拉彈性模量降幅分別為0.7%、2.1%和4.8%。

圖4 PVA纖維摻量對混凝土抗彎拉彈性模量的影響Fig.4 Effect of PVA fiber content on flexural modulus of elasticity of concrete

在混凝土中加入適量的(<0.05%)PVA纖維,大量細微纖維能均勻地分布在混凝土中,混凝土試件受到外力作用時,會使試件內(nèi)部產(chǎn)生細微的裂縫,當(dāng)裂縫的寬度較小時,纖維能夠跨過細小的裂紋,裂縫處的荷載通過纖維傳遞到混凝土基體中,從而使試件內(nèi)部的裂紋處應(yīng)力集中現(xiàn)象降低,應(yīng)力分布均勻和試件的變形減少,因此提高了混凝土基體的抗彎拉彈性模量[14]。由于PVA纖維彈性模量較高,PVA纖維中的氫鍵以及不規(guī)則的形狀與膠凝基體黏結(jié)性和機械咬合力較強,從而提高了混凝土基體的剛度,因此使混凝土基體的抗彎拉彈性模量提高[15]。PVA纖維在高摻量的情況下,往往會導(dǎo)致混凝土的微孔/裂縫體積增加,也使PVA纖維與混凝土基體之間的界面黏結(jié)性變?nèi)?使得混凝土在外力作用下的變形速率大于應(yīng)力速率,從而降低了混凝土的抗彎拉彈性模量。

3 結(jié)論

(1) 納米CaCO3摻量對粉煤灰混凝土試件的抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量均有較大的影響。當(dāng)納米CaCO3摻量由0增加到3%時,粉煤灰混凝土的抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量隨著納米CaCO3摻量的增加有逐漸增大的趨勢；納米CaCO3最佳摻量為3%,其抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量均達到最大值；當(dāng)納米CaCO3摻量超過3%時,其抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量有逐漸降低的趨勢。

(2) 摻入適量的PVA纖維可以提高摻加納米CaCO3和粉煤灰混凝土的抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量。隨著PVA纖維體積摻量的增大,納米CaCO3和粉煤灰混凝土的抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量逐漸增大,當(dāng)PVA纖維體積摻量超過0.05%時,試件的抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量有逐漸減小的趨勢。