經凍融循環后PVA-納米SiO2混凝土抗沖擊性能研究

肖 瑛 韓文宇 楊 萌

（煙臺大學土木工程學院，山東 煙臺 264003）

隨著現代工業的發展，混凝土已經運用于許多大型工程，如水壩、電站、碼頭等，但在寒冷地區，如我國北方及南方高海拔地區，混凝土受到凍融環境的影響，其耐久性經受著嚴峻的考驗。而對于水壩電站等水工結構，不僅要求其抗凍性能優異，在抗沖擊方面有了更高的要求。

目前，國外研究者對PVA 纖維和納米SiO2材料使用于水泥中的成果相對較少，但Mattaqin Hasan[1]通過凍融循環系統實驗，探討了在凍融循環系統應用后混凝土應力-應變的變化特征，并得出了應力-應變曲線中各特征變化和凍融循環次數間變化的關系式。王純璇等[2]深入研究了凍融循環系統對PVA 玻璃纖維水泥防凍耐久的負面影響，并依據最小二乘法原理和混凝土損傷變量的概念，構建了一個Weibull 概率分布的PVA 玻璃纖維水泥凍融破壞模式。關瑞等[3]探討了凍融循環系統對納米再生水泥抗壓性能的負面影響。研究表明，經過納米材料強化的再生混凝土，其抗壓強度有較大幅度的提高，特別是早期強度。楊偉[4]研究了納米SiO2對再生骨材混凝土抗凍特性的影響，由于納米SiO2摻量的增加，再生骨材混凝土的耐壓性能以及相對動彈性模量都呈現前增加后下降態勢，適當的納米SiO2可以改善再生混凝土的抗凍特性。趙小明等[5]人研究了單摻PVA玻璃纖維與混摻鋼纖維體積含量與PVA玻璃纖維混凝土的抗凍特性，并根據相對動彈性模量與抗壓、抗拉強度，構建了玻璃纖維混凝土的冰凍過程與破壞模式。孫琳[6]深入研究了在各種摻量條件下，納米SiO2改性水泥的抗鹽凍能力。開展了三點彎曲實驗，深入研究了其折斷韌度和斷裂能損失率，并根據此形成的鹽凍融損傷回歸方程。田建宗、逯靜洲[7]等人對混凝土凍融循環在疲勞負荷影響下的損傷工作中的，疲勞荷載的作用會明顯降低混凝土的抗凍性。

由此可見，學者們對混凝土中摻加PVA 纖維與納米SiO2僅僅是做了摻量或建立損傷模型等探究，而將兩者結合后對混凝土的抗凍及抗沖擊性能的提升并未有太多研究，本文在混凝土中加入PVA 纖維以及納米SiO2，研究了其增強混凝土抗沖擊性的機理。

1 試驗設計

1.1 試件材料與配合比

試驗選用的主要材料為冀東牌PO42.5R 型普通硅酸鹽水泥，其化學成分見表1；粗骨材則采用了10mm～30mm 級配的瓦礫顆粒；細骨料選用細度模數小于2.8的自然河沙；水選用煙臺自來水；減水劑選用聚羧酸等高效減水劑；引氣劑為灰霸牌混凝土引氣劑。PVA 纖維的性能參數見表2；納米SiO2由河北科澤金屬板材公司設計制造，性能參數見表3。

表1 水泥的化學組成/%

表2 PVA纖維的性能參數

表3 納米SiO2的性能參數

配合比遵循JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計標準》和DLT5330—2015《水工混凝土配合比設計標準》來制定本試驗的方法，詳情見表4。

表4 混凝土配合比/kg/m3

1.2 試件設計和試驗方法

1.2.1 試件設計

試驗試塊尺寸：高63.5mm，直徑152mm的圓柱體，用于凍融后的抗沖擊試驗；100mm×100mm×100mm 的立方體試塊則為強度測試。試件從澆筑完成至拆模為24h，拆模后放入環境溫度為20℃±3℃，濕度95%的環境中養護28d后取出進行試驗。

1.2.2 試驗內容

將已養護好的混凝土試塊放入桶中加入清水內浸漬3d，然后再經過0 次、25 次、50 次、75 次、100 次的凍融循環實驗，凍融設備使用由天津市港源測試儀器廠提供的混凝土快速凍融測試機，如圖1所示。抗沖擊試驗裝置采用落錘式纖維混凝土專用抗沖擊裝置，如圖2所示，試驗時，將試塊底部抹上黃油以此減少橫向約束，隨后將試件放于帶有定位鋼片的基座，將直徑為63.5mm 的鋼球置于試塊上表面中心，并將泡沫墊置于定位鋼片與試塊之間，以便于觀察初裂。試驗時，在落距為45.7cm 處將質量為4.5kg 的鋼塊落下沖擊試件上的鋼球，由此傳遞沖擊能量，最后記錄下試件初裂與終裂的沖擊次數。

圖1 快速凍融機

圖2 落錘沖擊設備

2 試驗結果

在分別對普通混凝土（PT）、單摻SiO2的混凝土（SI）、單摻PVA纖維的混凝土（PVA）、摻PVA-納米SiO2（PSI）的混凝土進行凍融0 次、25 次、50 次、75 次以及100 次凍融后，對試塊進行抗沖擊試驗，整理出沖擊次數與凍融循環次數的關系圖。從圖3 可知：較PT 對比組，在凍融前，PSI抗沖擊次數提高了98次；PVA抗沖擊次數提高了87次；SI抗沖擊次數提高了11次。在25次凍融后，PSI抗沖擊次數提高了109次，相對于凍融前增長了11.2%；PVA抗沖擊次數提高了84次，與凍融前并無明顯提高；SI提高了15次，與凍融前無明顯提高。在凍融50 次后，PSI 抗沖擊次數提高了160 次，相對于凍融前增長了63.3%；PVA 抗沖擊次數提高了109 次，相對于凍融前增長了25.3%；SI提高了59次，相對凍融前增長了436.3%，增長大幅度提高。在75 次凍融后：PSI抗沖擊次數提高了189 次，相對于凍融前增長了92.9%；PVA抗沖擊次數提高了111次，相對于凍融前增長了27.5%；SI 提高了79 次，相對凍融前增長了618.2%。在凍融100 次后，PSI 抗沖擊次數提高了202次，相對于凍融前增長了106.1%；PVA抗沖擊次數提高了115 次，相對于凍融前增幅為32.1%；SI 抗沖擊次數提高了88 次，相對于凍融前增幅為700%。由此可見，在未凍融時，單納米SiO2的摻入對混凝土的抗沖擊性能提高作用并不明顯，而其提高混凝土抗沖擊性能的機理是納米SiO2的摻入提高了混凝土的長期抗凍能力，從而間接提高了混凝土的抗沖擊性能，在凍融全齡期內平均提高幅度約為15.6%，這種提高隨著凍融齡期的增長會越發明顯。而PVA的摻入會在凍融全齡期內提高混凝土的抗沖擊性能，平均提高幅度大約為31.4%。PVA纖維和納米SiO2材料一起摻入混凝土中，不僅可以改善了混凝土抗凍性能，而在全凍融期都可以提高其抗沖擊性，平均抗沖擊性提高約47%。

圖3 4種類型試塊抗沖擊次數與凍融齡期關系圖

由此可見在所有凍融齡期內，抗沖擊性能優異性從高至低排序為：PSI＞PVA＞SI＞PT。造成這種現象的原因是兩種材料的加入改變了混凝土的抗沖擊性與抗凍性，其中PVA 纖維的加入增強了混凝土的抗沖擊性能，SiO2的加入增強了混凝土的抗凍性。

3 結語

本實驗模擬在自然的凍融環境作用下，對比出四種混凝土抗沖擊性能的優異性，對四種混凝土凍融后的抗沖擊試驗結果分析后得出以下結論:

（1）添加PVA纖維不能直接提高混凝土的抗凍性能，但在其抗沖擊性能方面會有較大的提升，平均抗沖擊性提高約31.4%。但單摻納米SiO2等材料并沒有直接改善混凝土的抗沖擊特性，而只是在提高混凝土的抗凍性能之后改善了其抗沖擊特性，平均提高了約15.6%，而隨著凍融齡期的提高，混凝土的抗沖擊特性改善更顯著。

（2）PVA 纖維能夠極大地提高混凝土的抗沖擊特性，而納米SiO2則是通過改善了混凝土的抗凍性能，從而間接改善了其抗沖擊特性，將PVA 纖維和納米SiO2材料一起摻入混凝土中，不僅可以改善了混凝土抗凍性能，而在全凍融期都可以提高其抗沖擊性，平均抗沖擊性提高約47%。