納米SiO2和聚丙烯纖維水泥混凝土強(qiáng)度研究

何東坡 史 賀

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

水泥混凝土路面存在抗彎拉強(qiáng)度不足、剛性過(guò)大和脆性過(guò)高等缺點(diǎn)，在車輛行車荷載作用下，很容易遭到損壞，給道路的正常運(yùn)營(yíng)造成重大的損失，因而限制了在部分公路中的應(yīng)用[1]。因此，提高水泥混凝土路面的各方面性能迫在眉睫，采用新材料、新工藝提升路面混凝土性能、拓展水泥混凝土路面應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。

近年來(lái)，納米技術(shù)和納米材料正在成為工程行業(yè)的關(guān)鍵角色，添加各種材料來(lái)改善水泥混凝土性能的研究較為廣泛[2]。Nili[3]和Genady Shakhmenko等[4]研究發(fā)現(xiàn)納米SiO2對(duì)水泥基后期強(qiáng)度提高作用不大，但能顯著增強(qiáng)水泥基的早期強(qiáng)度。Sivasankaran U等[5]研究了納米SiO2如何改善粉煤灰混凝土整體強(qiáng)度性能，結(jié)果表明添加1%的納米SiO2和25%的粉煤灰混凝土壓縮強(qiáng)度增加，極限拉伸強(qiáng)度增加了28%。

聚丙烯纖維對(duì)混凝土可以減小混凝土內(nèi)部的細(xì)微裂紋和由于早期收縮裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力集中，因此學(xué)者們對(duì)聚丙烯纖維展開(kāi)了大量研究。Makita等[6]通過(guò)靜載試驗(yàn)和落錘試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維混凝土的抗沖擊性能及殘余延性能夠得到明顯地增強(qiáng)。Piroti等[7]研究了水灰比對(duì)聚丙烯纖維增強(qiáng)的納米SiO2混凝土的機(jī)械性能的影響，結(jié)果表明，隨著水灰比從0.50降至0.30，混凝土的機(jī)械性能均得到改善，使用聚丙烯纖維,混凝土28 d的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和耐磨性分別提高了22%，40%和27%。單景松等[8]研究表明纖維的摻量及長(zhǎng)度變化對(duì)透水混凝土各性能的影響不同，可根據(jù)實(shí)際受力狀態(tài)和功能要求綜合確定纖維參數(shù)，建議纖維長(zhǎng)度范圍取12 mm～18 mm、摻量取1.0 kg/m3～1.5 kg/m3。

水泥混凝土微觀層面上的物理和化學(xué)反應(yīng)時(shí)刻進(jìn)行，目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水泥混凝土基體及基體—集料界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)和成分展開(kāi)了大量研究。劉新等[9]通過(guò)研究提出將改善C-S-H本身力學(xué)性能的技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用到水泥基材料是提升混凝土結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。歐陽(yáng)利軍等[10]歸納了影響混凝土界面過(guò)渡區(qū)特性的因素，如微觀硬度、氫氧化鈣晶向指數(shù)和孔隙分布狀態(tài)等，指出了混凝土在界面過(guò)渡區(qū)微觀特性方面要探究的方向。

本研究嘗試通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)探究納米二氧化硅和聚丙烯纖維水泥混凝土的最佳摻量，并從微觀結(jié)構(gòu)的角度分析納米二氧化硅和聚丙烯纖維對(duì)混凝土的強(qiáng)度改善機(jī)理，以期通過(guò)改善混凝土路面的不足，擴(kuò)展水泥混凝土路面的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用P.O42.5級(jí)硅酸鹽水泥；砂為天然砂礫，細(xì)度模數(shù)為3.0；水為自來(lái)水；天然粗骨料為粒徑范圍于4.75 mm～16 mm間的碎石；納米二氧化硅選用的型號(hào)為TSP-H10，具體的特征參數(shù)見(jiàn)表1；聚丙烯纖維物理性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 納米二氧化硅特征參數(shù)

表2 聚丙烯纖維物理性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30，依據(jù)JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定，由計(jì)算得水膠比為0.59的配合比為基礎(chǔ)配合比，試驗(yàn)基本配合比如表3所示。納米二氧化硅以水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0%,0.5%,1.0%,1.5%內(nèi)摻代替水泥；聚丙烯纖維以水泥體積分?jǐn)?shù)的0%,0.1%,0.15%,0.2%外摻代替水泥，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)16組配合比，共計(jì)144個(gè)試塊。

表3 試驗(yàn)基本配合比

1.3 試驗(yàn)方法

由于納米二氧化硅直接拌入混凝土中會(huì)由于分散不均勻而影響混凝土性能，根據(jù)張茂花[11]對(duì)納米二氧化硅摻入混凝土方式的研究，本試驗(yàn)水泥混凝土拌合順序?yàn)椋荷?碎石+水泥→分兩次加入聚丙烯纖維→加入納米二氧化硅和水的混合液。制備試件后，放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，按照試件編號(hào)，根據(jù)JTG E30公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行水泥混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、立方體劈裂抗拉試驗(yàn)以及水泥混凝土抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

使用萬(wàn)能壓力機(jī)測(cè)出相關(guān)強(qiáng)度數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果繪制見(jiàn)圖1～圖3。

由圖1可知，抗壓強(qiáng)度隨聚丙烯纖維的增加先增大后減小，纖維摻量為0.1%時(shí)抗壓強(qiáng)度最大，此時(shí)單摻聚丙烯纖維的試件抗壓強(qiáng)度提高了3.9%，纖維摻量為0.1%的試件在納米二氧化硅摻量為0.5%，1.0%，1.5%時(shí)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為3.9%，1.2%，5.4%。當(dāng)纖維摻量達(dá)到0.15%時(shí)，單摻纖維試件的抗壓強(qiáng)度與未摻加纖維試件相比下降了17.9%，而纖維摻量為0.2%時(shí)下降率甚至達(dá)到了23.5%。說(shuō)明聚丙烯纖維摻入過(guò)多時(shí)，會(huì)因?yàn)榉稚⒉痪鶆蚨绊懟炷恋慕Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)致混凝土密實(shí)度下降，抗壓強(qiáng)度隨之下降。

縱向觀察圖1可知，抗壓強(qiáng)度隨納米SiO2摻量增加而持續(xù)增大，抗壓強(qiáng)度在納米SiO2摻加1.5%時(shí)最大，此時(shí)單摻納米SiO2試件提高了10.1%。在聚丙烯纖維摻量為0.1%,0.15%,0.2%時(shí)，納米SiO2摻量為1.5%的試件與未摻加納米SiO2的試件相比增長(zhǎng)率分別為11.7%,23.1%,20.5%。

當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.1%、納米二氧化硅摻量為1.5%時(shí)試件抗壓強(qiáng)度最大，與未摻試件相比可提高16.0%。試驗(yàn)結(jié)果可以看出低摻量聚丙烯纖維可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，但提高幅度不大，所以聚丙烯纖維的摻加不能明顯增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度，但摻加納米SiO2可以顯著增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度。

由圖2可知，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨聚丙烯摻量增加先增大然后持續(xù)減小。聚丙烯纖維摻量為0.1%時(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最大，此時(shí)單摻聚丙烯纖維的試件劈裂抗拉強(qiáng)度提高了40%。在納米二氧化硅摻量為0.0%，0.5%，1.0%，1.5%時(shí)，纖維摻量為0.15%和0.2%的試件，與纖維摻量為0.1%的試件相比劈裂抗拉強(qiáng)度降低率分別為12.2%，9.7%，6.9%，11.4%和29.5%，16.7%，16.6%，17.1%，與未摻纖維試件相比劈裂抗拉強(qiáng)度確有增長(zhǎng)。

縱向觀察圖2可知，納米SiO2達(dá)到混凝土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1.0%時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度最大，此時(shí)單摻納米SiO2試件的劈裂抗拉強(qiáng)度提高了11.5%。在纖維摻量為0.1%，0.15%，0.2%時(shí)，納米SiO2摻量為1.0%的試件與未摻加納米SiO2試件相比劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為3.4%，9.6%，11.6%。納米SiO2摻量為1.5%時(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度雖然低于納米SiO2摻量為1.0%的試件，卻仍高于未摻納米SiO2試件的劈裂抗拉強(qiáng)度。

聚丙烯纖維摻量為0.1%、納米二氧化硅摻量為1.0%時(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最大，與雙未摻試件相比增加了44.8%。聚丙烯纖維摻入量超過(guò)體積分?jǐn)?shù)的0.1%，納米二氧化硅摻量超過(guò)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1.0%時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度均開(kāi)始降低。因此，納米SiO2的加入對(duì)提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度是有效的，但改善效果不如聚丙烯纖維。

由圖3可知，混凝土抗折強(qiáng)度隨聚丙烯摻量的增加先增大后減小，在摻加0.1%的聚丙烯纖維時(shí)最大，此時(shí)單摻聚丙烯纖維的試件抗折強(qiáng)度提高了36.5%。在相同的納米二氧化硅摻量下，纖維摻量為0.1%的試件與未摻加纖維的試件相比抗折強(qiáng)度均有大幅度增長(zhǎng)，納米二氧化硅摻量為0.5%，1.0%，1.5%時(shí)抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為35.5%，33.3%，32.7%。而纖維摻量為0.15%和0.2%的試件，在納米二氧化硅摻量為0%，0.5%，1.0%，1.5%時(shí)與纖維摻量為0.1%的試件相比抗折強(qiáng)度有不同程度的下降，但仍高于未摻纖維試件的抗折強(qiáng)度。

縱向觀察圖3可知，納米SiO2摻量達(dá)到混凝土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1.0%時(shí)抗折強(qiáng)度最大，此時(shí)單摻納米SiO2的試件抗折強(qiáng)度提高了9.6%。在纖維摻量為0.1%，0.15%，0.2%時(shí)，納米SiO2摻量為1.0%的試件與未摻加納米SiO2的試件相比抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為7.0%，9.2%，12.3%。當(dāng)納米SiO2摻量為1.5%時(shí)混凝土的抗折強(qiáng)度雖然低于納米SiO2摻量為1.0%的試件，但抗折強(qiáng)度仍然高于未摻加納米SiO2的試件。

當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.1%、納米二氧化硅摻量為1.0%時(shí)混凝土抗折強(qiáng)度最大，與未摻試件相比增加了46.2%。可以看出，納米SiO2和聚丙烯纖維的加入可以提高混凝土的抗折強(qiáng)度。聚丙烯纖維摻入量超過(guò)0.1%，納米二氧化硅摻量超過(guò)1.0%時(shí)抗折強(qiáng)度均開(kāi)始降低。

綜合以上分析結(jié)果，聚丙烯纖維摻量為0.1%、納米二氧化硅摻量為1.0%時(shí)，混凝土劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度最大，雖然0.1%聚丙烯纖維和1.5%納米二氧化硅摻量的試件抗壓強(qiáng)度最大，但0.1%聚丙烯纖維和1.0%納米二氧化硅摻量的試件的抗壓強(qiáng)度與未摻試件相比提高了10.9%，由于混凝土抗彎拉強(qiáng)度不足為限制其應(yīng)用的主要因素，選用0.1%聚丙烯纖維和1.0%納米二氧化硅摻量為混凝土抗折強(qiáng)度下的最佳摻量。

3 微觀分析

選取養(yǎng)護(hù)齡期28 d，一定摻量的納米二氧化硅和聚丙烯纖維所對(duì)應(yīng)的混凝土試件，對(duì)其進(jìn)行噴金加工得到需要的試樣，然后對(duì)試樣進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)試驗(yàn)，研究其不同摻量在微觀層面上對(duì)相應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)的作用情況。

3.1 聚丙烯纖維對(duì)混凝土影響的微觀分析

不親水的聚丙烯纖維與水泥基材界面的水灰比一般來(lái)說(shuō)都比水泥基材料自身高，導(dǎo)致聚丙烯纖維—水泥基材界面強(qiáng)度較弱[12]。因此，聚丙烯纖維對(duì)硬化混凝土性能的影響是不容忽視的。

由圖4a)和圖4b)可以看出，聚丙烯纖維由于受力拉伸，外觀呈扁平狀，且纖維表面有明顯開(kāi)裂、脫皮等摩擦痕跡。根據(jù)纖維阻裂效應(yīng)，聚丙烯纖維在混凝土硬化后阻擋混凝土自收縮，降低微裂縫尖端的應(yīng)力集中，減少微裂縫的同時(shí)會(huì)拉伸變形并產(chǎn)生摩擦。而在試件受力破壞產(chǎn)生裂縫時(shí)，聚丙烯纖維受到試件開(kāi)裂產(chǎn)生的拉應(yīng)力影響，裂縫前端與纖維相交，導(dǎo)致纖維承受部分應(yīng)力，自身拉伸變形。宏觀上可以體現(xiàn)為聚丙烯纖維的摻入，顯著地提高了混凝土的劈裂抗拉、抗折強(qiáng)度。

3.2 納米二氧化硅對(duì)混凝土影響的微觀分析

納米二氧化硅特有的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，參與混凝土的水化反應(yīng)并放熱促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行，從而提高混凝土的強(qiáng)度，因此，對(duì)納米二氧化硅微觀結(jié)構(gòu)如何影響混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

不同納米二氧化硅摻量下，混凝土微觀結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別。未摻加納米二氧化硅試樣如圖5a)所示，可以看到較多形狀不規(guī)則的宏觀孔，a處為還未完全成形的水化硅酸鈣凝膠，b處為大塊六角棱形Ca(OH)2晶體，因此，未摻加納米二氧化硅的水泥水化反應(yīng)進(jìn)行緩慢，宏觀上體現(xiàn)為強(qiáng)度提升緩慢。1.0%納米二氧化硅試樣如圖5b)所示，試樣表面整體均勻密實(shí)，C-S-H凝膠和針狀棱柱形的鈣礬石晶體明顯增多，表面存在的少量Ca(OH)2晶體也被C-S-H凝膠包圍，這樣密實(shí)的結(jié)構(gòu)在宏觀上體現(xiàn)為混凝土的抗壓、劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度均有大幅度提高。1.5%納米二氧化硅試樣如圖5c)所示，左側(cè)區(qū)域水化進(jìn)程相對(duì)緩慢，右側(cè)區(qū)域由于摻入過(guò)多的納米二氧化硅，部分未參與反應(yīng)的納米二氧化硅聚集成團(tuán)，在水泥基材料中分散不均勻。因此，宏觀上納米二氧化硅摻量達(dá)到1.5%時(shí)，混凝土的劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度有所降低，而抗壓強(qiáng)度也增長(zhǎng)緩慢。

3.3 納米二氧化硅和聚丙烯纖維對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的共同作用

在水泥混凝土中摻入適量納米二氧化硅和聚丙烯纖維后，由于納米二氧化硅的小顆粒可以填充在更細(xì)小的毛細(xì)孔隙中，有效地彌補(bǔ)聚丙烯纖維摻入過(guò)多時(shí)造成的缺陷，使聚丙烯與水泥基材料黏結(jié)緊密，提高水泥基材料的密實(shí)度。并且由于納米二氧化硅的比表面能很高[13]，能快速地與Ca(OH)2反應(yīng)，促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，生成更多有利于混凝土強(qiáng)度提高的水化產(chǎn)物。當(dāng)混凝土受到荷載時(shí)，適量聚丙烯纖維在混凝土內(nèi)部均勻亂向分布所構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)會(huì)和納米二氧化硅共同作用，聚丙烯纖維發(fā)生變形消耗部分能量的同時(shí)，二者共同發(fā)揮作用延緩裂縫尺寸的發(fā)展。因此適量納米二氧化硅和聚丙烯纖維的加入有利于混凝土各項(xiàng)強(qiáng)度的提升。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同摻量納米二氧化硅和聚丙烯纖維水泥混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)的結(jié)果的研究及微觀結(jié)構(gòu)的分析，可以得出以下結(jié)論：

1)納米二氧化硅和聚丙烯纖維摻入可以有效提升混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，納米二氧化硅對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度的提升起更大的作用，聚丙烯纖維對(duì)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的提升效果則更顯著。

2)聚丙烯纖維摻量為0.1%、納米二氧化硅摻量為1.5%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度最大，與未摻試件相比可提高16.0%，聚丙烯纖維摻量為0.1%、納米二氧化硅摻量為1.0%時(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均最大，與未摻試件相比分別增加了44.8%和 46.2%。

3)由微觀試驗(yàn)結(jié)果分析可以得知，同納米二氧化硅摻量下，摻入0.1%聚丙烯纖維的混凝土由于纖維的阻裂效應(yīng)，劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度遠(yuǎn)高于未摻纖維的混凝土。

4)由微觀試驗(yàn)結(jié)果分析可知，同聚丙烯纖維摻量下，摻入1.0%納米二氧化硅能夠促進(jìn)水化反應(yīng)進(jìn)行，并且物理填充混凝土孔隙，從而大幅度地增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度，并能夠在一定程度上增強(qiáng)劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

5)在微觀結(jié)構(gòu)下雙摻納米二氧化硅和聚丙烯纖維，共同形成起一定支撐作用的骨架結(jié)構(gòu)，同時(shí)填充內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙及裂縫，使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密。