摻納米SiO2和PVA纖維的水工混凝土性能分析

鐘 倩

(撫順市水利勘測設計研究院有限公司，遼寧 撫順 113006)

我國北方嚴寒地區的水工結構、橋梁以及道路等經常承受腐蝕與凍融循環的多重作用，這種工程結構的耐久性衰減速度遠高于單一不利因素作用。其中，凍融循環會誘發或加速新裂縫的出現以及初始裂縫的擴展，對混凝土的使用年限和力學性能造成不利影響。隨著科技的發展，各類纖維的生產規模與應用范圍不斷擴大[1]。研究表明，摻入纖維后能夠明顯提高素混凝土的耐久性、抗沖擊性、韌性和強度，并有效改善砂漿塑性開裂性能。聚乙烯醇(PVA)纖維的親水性能良好，彈性模量較高，可以在水泥基中均勻地分散，加之較好的黏結性能夠明顯改善混凝土耐久。研究發現，因具有較強的晶核、微集料填充和火山灰效應，尺度更小的納米SiO2材料能夠顯著改善混凝土強度和耐久性。因此，文章結合納米SiO2和PVA纖維的優點，探討了凍融侵蝕條件下單摻和混摻兩種材料的水工混凝土性能。

1 試驗方案

1.1 原材料

試驗選用渾河牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，粗骨料選用石粉含量可忽略不計的5～25mm連續級配碎石，細骨料選用經砂石生產系統破碎而成的人工中砂，拌合水為自來水，經檢測各原材料性能指標均符合標準要求。聚乙烯醇(PVA)纖維為K-Ⅱ型，納米SiO2和PVA纖維性能參數如表1。

表1 摻合料的性能參數

1.2 配合比設計

設計水膠比0.50，以質量分數0.6%、1.2%、1.8%的納米SiO2的替代水泥，摻體積分數0.1%的PVA纖維，配制與工程實際相近的C40水工混凝土，試驗配合比如表2所示。

表2 試驗配合比

1.3 試驗方法

1)試件制備。試驗配制12組400mm×100mm×100mm棱柱體和24組100mm×100mm×100mm立方體共36組試件，每組試件3個。混凝土澆筑成型流程：①按設計配合比依次稱量所需水泥、砂、石用量，并投入攪拌機預拌90s；②投入一半的PVA纖維攪拌30s，再投入剩余纖維攪拌30s，將一半的SiO2和水混合液投入攪拌60s，再投入剩余混合液攪拌120s，攪拌均勻后倒入試模，振搗成型；③室內靜置24h后拆模并移入標養室養護28d待用。為了保證試件處于飽水狀態，將養護至24d的試件取出并放入侵蝕溶液(其成分組成見表2)，浸泡4d后取出用于凍融循環試驗。

表2 侵蝕溶液組成

2)試驗方法。依據現行標準進行混凝土抗壓強度試驗和凍融試驗，控制加載速率12kN/s，利用快凍法完成凍融試驗。凍融循環時，控制試件中心溫度為-15℃和5℃，一次凍融循環的完成試件為4h。試驗前先擦干表面水分，測試各組初始質量、抗壓強度和彈性模量，隨后每凍融循環25次測定一次，棱柱體和立方體共凍融循環共100次、75次。

2 結果與分析

2.1 凍融破壞機理

各組試件經25次凍融循環后的混凝土表面剝落狀況。結果表明：①J-0組和S-1.2組混凝土表面出現不均勻的小范圍剝落，缺口邊緣處較干凈且剝落深度不大，表面整體平整。②P-0.1組混凝土表面的剝落深度不大且剝落范圍小，整體分布不均勻，缺口處有纖維露出；部分砂漿處雖未剝落，但呈粉狀松散狀態，局部存在松軟起皮的情況。③P0.1S1.2組混凝土表面出于蜂窩麻面形態，坑槽現象不明顯。

試驗表明，由于J-0組和S-1.2組試件未摻PVA纖維，經25次凍融循環混凝土表現出明顯的脆性，受溫度拉應力作用表面薄弱處逐漸剝落，剝落缺口整體較為干凈；因P-0.1組和P0.1S1.2組試件摻入了PVA纖維，混凝土內部的網狀結構在一定程度上發揮著約束作用，并承擔了一定的拉應力，所以剝落程度較低。同時，混摻P0.1S1.2組的剝落程度小于單摻的P-0.1組，深入分析可知摻入的納米SiO2有利于減少P0.1S1.2組試件的孔隙率和薄弱界面，所以混摻組未發現局部孔洞，但有少量水泥漿剝落，混凝土表面產生一定的點狀麻面情況。凍融次數越多則破壞程度越大，各組混凝土表現出砂漿開始薄弱→部分粗細骨料外露的破壞過程。凍融循環結束后各組試件形態仍較為完整，從低到高其外觀形態破壞程度排序為P0.1S1.2

配合比不同的混凝土界面過渡區、內部結構和孔隙數量不同，這就使得試件的凍融損傷程度和破壞形態具有一定差異。凍的過程中溫度逐漸達到冰點以下，混凝土受冰的結晶作用而產生壓力，基礎混凝土因溶液遷移形成滲透壓力和靜水壓力，從而破壞了內部孔壁；融的過程中溫度逐漸達到冰點以上，冰晶體開始融化，混凝土內部的滲透壓力、靜水壓力和潔凈壓力因溶液遷移速度的變慢而逐漸減弱。因此，凍融循環可以視為一個加壓-卸壓的過程，也是混凝土內部疲勞破壞、損傷積累的過程。

混凝土是一種由多相材料組合而成的混合材料，不同材料的熱膨脹系數存在明顯差異，溫度變化時各種材料的膨脹量不一，從而引起附加應力。砂漿與粗骨料過渡區的黏結強度低于其它部位，受附加應力作用最先產生裂紋，這進一步加劇了混凝土內部損傷程度。溶液中的SO42-、Mg2+離子沿裂縫滲入混凝土內部，與水化產物Ca(OH)2反應生成鈣礬石和石膏，這種膨脹性物質會引起基體內部拉應力。另外，C-S-H凝膠還可以與Mg2+離子反應生成鎂鹽類產物，這種產物黏聚性較低會破壞基體微觀結構，增加混凝土內部的薄弱界面和劣化程度。

2.2 相對動彈性模量

經100次凍融循環后各組試件的相對動彈性模量變化，如圖1所示。結果表明，各組試件的動彈性模量均隨著凍融循環次數的增加不斷減小，變化幅度也越來越大。具體而言，凍融循環達到100次時J-0組、P-0.1組試件的相對動彈性模量減小到51.28%和55.42%，達到試驗終止條件；經25次凍融循環的相對動彈模量變化不大，但隨凍融次數的增加逐漸表現出一定差距，凍融循環結束后單摻和混摻組均高于基準對照組的相對動彈性模量，其中S-1.2組、P0.1S0.6組、P0.1S1.2組、P0.1S1.8組的相對動彈性模量為61.05%、65.70%、71.24%、61.60%，故摻量最優組為P0.1S1.2組，即混凝土中混摻0.1%PVA和1.2%納米SiO2時的抗凍性最好。

圖1 相對動彈性模量變化曲線

2.3 質量變化規律

經100次凍融循環后各組試件的質量變化，如圖2所示。結果表明，各組試件的質量并未隨凍融循環次數的增大而不斷減少，波動變化比較明顯，這是因為凍融循環過程中會產生疲勞破壞，內部應力增大致使界面薄弱處最先發生開裂破壞，溶液滲入混凝土內部致使其飽水都提高，與前次凍融時的質量相比可能會有所增大。換而言之，當混凝土的剝落質量小于內部滲入的溶液質量，則混凝土整體質量不減反增。

圖2 不同凍融循環次數的試件質量

由圖2可知，各組混凝土試件均未達到“5%質量損失率”的試驗終止條件，經100次凍融循環后混凝土殘余質量相對值變化較小，各組之間的差別也不明顯。深入分析可知，摻PVA纖維的P-0.1組、P0.1S0.6組、P0.1S1.2組、P0.1S1.8組混凝土基體中形成了網狀包裹，對試件表面的開裂剝落產生一定程度的阻礙作用；同時，本試驗設定的凍融循環次數較少，所以混凝土并未表現出明顯的質量損失。

2.4 抗壓強度剩余比

經75次凍融循環后各組試件的抗壓強度剩余比，如圖3所示。結果表明，凍融循環達到75次后J-0組混凝土抗壓強度剩余比為56.27%，其它組均高于該組，凍融循環結束后P-0.1組和S-1.2阻的抗壓強度剩余比依次為67.42%、63.50%，前者的抗凍性相對更優。摻納米SiO2和PVA纖維有利于減少混凝土孔隙率，但納米SiO2的分散性略低于PVA纖維，所以摻PVA纖維的混凝土抗凍性更優。凍融循環結束后P0.1S0.6組、P0.1S1.2組、P0.1S1.8組混凝土抗壓強度剩余比依次為72.04%、76.30%、68.42%，其中P0.1S1.2組最高。因此，合適摻量情況下，混摻組混凝土的孔隙率較低，并且水化產物Ca(OH)2還能與納米SiO2反應生成C-S-H凝膠，對改善混凝土微孔結構和抗凍性能具有積極作用。

圖3 不同凍融循環次數的抗壓強度剩余比

由圖3可知，P0.1S1.8組混凝土抗壓強度剩余比明顯高于P-0.1組和S-1.2阻，這是由于摻量過大時納米SiO2的分散性會變差，混凝土中過量的SiO2還會進一步組成薄弱界面，使得混摻負效應逐漸大于正效應，混凝土抗凍性變弱。綜上分析，混摻P0.1S1.2組的混凝土抗凍性最優。

3 結 論

1)混凝土的破壞程度隨著凍融循環次數的增加而加大，各組混凝土均呈砂漿逐漸剝落→部分粗細骨料外露的破壞過程；動彈性模量均隨著凍融循環的持續逐漸減小，變化幅度也越來越大；各組試件的質量并未隨凍融循環次數的增大而不斷減少，波動變化比較明顯，這是因為當混凝土的剝落質量小于內部滲入的溶液質量，則混凝土整體質量不減反增。

2)研究表明，水工混凝土中單摻納米SiO2或PVA纖維均能在一定程度上改善其抗凍性，混摻時的改善效果更好，并且混摻1.2%納米SiO2和0.1%PVA纖維的抗凍性能最優。