膠凝材料對纖維增強納米混凝土早期強度的影響

【摘要】選用鋼纖維和聚丙烯纖維（PP纖維）作為混雜纖維材料，納米碳酸鈣作為納米粒子材料，通過添加不同摻量粉煤灰和硅灰的試驗，研究了膠凝材料對混雜纖維增強納米高韌性混凝土早期強度的影響。試驗結果表明，摻入粉煤灰會降低本試驗混凝土的7d抗壓強度，但可以提高其延性和抗裂性能，當粉煤灰摻量為膠凝材料總量的10%時，混凝土材料的7d抗折強度達到最大。摻入一定量的硅灰可提高混凝土材料的抗壓強度、抗折強度和折壓比，綜合考慮硅灰最佳摻量為膠凝總量的10%。

【關鍵詞】膠凝材料； 混雜纖維； 納米混凝土； 力學性能； 早期強度

【中圖分類號】TU528.572【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-02-13

［作者簡介］呂悅（1997—），女，碩士，研究方向為無機混凝土材料；蘇芮（1994—），女，博士，研究方向為混凝土耐熱涂層。

0 引言

隨著工程經驗的積累和相關研究的發展，混凝土性能得到了很大的提升。近年來，為了進一步改善混凝土的強度和韌性，國內外學者進行了一系列的研究，并發現通過向混凝土中摻加一定量的剛性纖維和柔性纖維不僅可提高其強度，還可以提高其韌性［1］。通過調研可知，Glavindm等［2］研究發現，鋼-聚丙烯混雜纖維提高了基體混凝土極限壓應變；Chi Y等［3］發現鋼纖維作為剛性纖維，聚丙烯纖維作為柔性纖維，將其混雜摻入混凝土中可提高基體的力學性能，因此本文選用鋼纖維和聚丙烯纖維混雜來進行試驗研究。此外，納米材料因自身具有良好的填充效應、活性效應和微集料效應［4］，已經成為發展迅速的新興材料。目前常用于混凝土之中的納米材料主要有納米SiO2和納米CaCO3。黃政宇等［5］研究發現，在混凝土中加入納米CaCO3不僅可以提高混凝土的強度，還能增強其韌性，且在價格方面，納米CaCO3較納米SiO2更為低廉，因此本次試驗選用納米CaCO3作為納米粒子添加到混凝土基體中。粉煤灰和硅灰作為礦物摻合料添加到混凝土中，不僅可以取代水泥、節約資源和減少環境污染，而且可以作為混凝土的“第六組分”和輔助膠凝材料，對混凝土的性能有著重要的影響，因此本文通過添加不同用量的粉煤灰和硅灰來研究粉煤灰和硅灰的摻量對混雜纖維增強納米高韌性混凝土性能的影響。鑒于混凝土前7d 的力學性能對各種工程耐久性有重要影響，因此本文就混凝土在前7d 齡期的力學性能開展了試驗研究。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥。本文選用的是山東省諸城市楊春水泥有限公司生產的P·O52.5普通硅酸鹽水泥，其物理性能指標見表1。

（2）骨料。本文所采用的骨料均為細骨料，包括河南銘海環保科技有限公司生產的16～26目、26～40目和40～70目的石英砂，其使用比例為1∶0.78∶2.68。

（3）粉煤灰和硅灰。采用四川某材料公司生產的一級粉煤灰和硅灰，其中一級粉煤灰中SiO2占45.1%，Al2O3占24.2%，密度為2.55 g/cm3；硅灰中SiO2占91.2%，密度為2.35 g/cm3。

（4）納米粒子。采用上海臣啟化工科技有限公司生產的納米CaCO3，平均粒徑為6 250目，比表面積為25 000 cm2/g。

（5）纖維。本文選用聚丙烯纖維和鋼纖維作為試驗材料。其中聚丙烯纖維（PP纖維）長度為9 mm，直徑為31 μm，密度為0.91 g/cm3；鋼纖維長度為13 mm，直徑為0.2 mm，密度為7.8 g/cm3。

（6）減水劑和水。本研究采用上海臣啟化工科技有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，試驗用水采用實驗室內自來水。

1.2 試驗方法

（1）攪拌方式。采用分級攪拌的方法，先將膠凝材料（包含水泥、粉煤灰、硅灰）和納米CaCO3加入攪拌機中，慢速攪拌1 min使其混合均勻；然后加入水和減水劑形成的混合溶液，攪拌兩個循環（慢速攪拌1 min再快速攪拌30 s為一個循環）使其形成凈漿；之后加入按比例混合好的石英砂，繼續攪拌一個循環使凈漿充分包裹石英砂；最后加入纖維，攪拌一個循環至纖維均勻分散。

（2）養護方式。本試驗采用水養方法，即將試件放入20±1 ℃的水中進行養護。

（3）性能測試。試件的抗折強度和抗壓強度測試均按照GB/T 17671-2021《水泥膠砂強度檢驗方法》進行，采用的試件尺寸均為40 mm×40 mm×160 mm。

（4）配合比設計。本文通過調整粉煤灰和硅灰的用量來探究不同摻量的粉煤灰和硅灰對混雜纖維增強納米水泥基復合材料的影響，水膠比取0.20，砂膠比取1.1，粉煤灰摻合料分別為0、10%、15%、20%、25%，硅灰摻合料分別為0、5%、10%、15%、20%。具體配合比參數如表2所示。

2 結果與分析

2.1 粉煤灰摻量對早期強度的影響

2.1.1 抗折強度

本文所制備的混雜纖維增強納米高韌性混凝土的7d抗折強度隨粉煤灰摻量的變化趨勢如圖 1所示。由試驗結果可知，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗折強度先增大后隨之減小，當粉煤灰摻量小于膠凝材料總量的10%時，混凝土的抗折強度隨著摻量的增大而增大，當粉煤灰摻量大于15%時，混凝土的抗折強度隨摻量增大而減小。當粉煤灰的摻量在膠凝材料總量的10%到15%之間時，混凝土的早期抗折強度較高，且均大于不摻粉煤灰的混凝土試塊，在粉煤灰摻量為膠凝材料總量的10%時，混凝土試塊的抗折強度達到本試驗最大值31.36 MPa。

2.1.2 抗壓強度

由圖 2可知，隨著粉煤灰摻量的增加，混雜纖維增強納米高韌性混凝土的7d抗壓強度隨之降低。當粉煤灰摻量小于15%時，混凝土試塊的早期抗壓強度降低較慢，當粉煤灰摻量在15%～20%之間時，混凝土試塊的早期強度迅速降低?；炷猎噳K早期強度隨著粉煤灰摻量的增加而降低的原因為粉煤灰有著致密的玻璃態結構和堅固的表面膜層結構，導致粉煤灰在水化早期具有較低的火山灰活性，因此摻加粉煤灰的混凝土試塊早期強度相較于基準塊有所降低。

2.1.3 折壓比

折壓比可以很好地反映水泥基材料的延性與抗裂性能，折壓比越高，材料的延性和抗裂性能越好，反之，材料的延性和抗裂性能越差。由圖 3可知，隨著粉煤灰摻量的增加，混雜纖維增強納米高韌性混凝土材料的折壓比也在不斷增大，可見粉煤灰的摻加可以提高材料的延性和抗裂性能。當粉煤灰摻量在15%～20%之間時，材料折壓比的增加速率最大，相較于15%摻量的折壓比，20%粉煤灰摻量的材料折壓比增加了9.7%，為0.436，說明在粉煤灰摻量在15%～20%之間時，混雜纖維增強納米高韌性混凝土材料的延性和抗裂性能增強的越快。

2.2 硅灰摻量對早期強度的影響

2.2.1 抗折強度

由于硅灰的高火山灰活性效應和微集料填充密實效應，作為水泥的替代材料，當使用一定的硅灰時，可使混凝土材料的抗壓強度得到有效的提高。本文所制備的混雜纖維增強納米高韌性混凝土的7d抗折強度隨粉煤灰摻量的變化趨勢如圖 4所示。由試驗結果可知，隨著硅灰摻量的增加混凝土的7d抗折強度先增大后隨之減小。當硅灰的摻量小于膠凝材料總量的10%時，混凝土的抗折強度隨著硅灰摻量的增加而增大；當硅灰摻量大于10%時，混凝土的抗折強度隨著硅灰摻量的增加而減小，但均高于不摻硅灰的混凝土抗折強度。當硅灰摻量為膠凝材料總量的10%時，混凝土的7d抗折強度達到最大，為30.75 MPa，較不摻硅灰的混凝土抗折強度提高了18.8%。

2.2.2 抗壓強度

如圖 5所示，混雜纖維增強納米高韌性混凝土的7d抗壓強度隨著硅灰摻量的增加先增加后降低。當硅灰摻量小于膠凝材料總量的10%時，混凝土的抗壓強度隨著摻量的增加而增大；當硅灰摻量大于10%時，混凝土的抗壓強度隨著摻量的增加而減小。當硅灰摻量為膠凝材料總量的10%時，混凝土的7d抗壓強度達到最大，為77.26 MPa，相較于不摻硅灰的混凝土提高了4.66%。

2.2.3 折壓比

由圖 6可知，隨著硅灰摻量的增加，本試驗所制備的混雜纖維增強納米高韌性混凝土的折壓比先增加后有所降低。當硅灰摻量小于膠凝材料總量的10%時，混凝土材料的折壓比隨著硅灰摻量的增加而增大；當硅灰摻量大于10%時，隨著硅灰摻量的增加，混凝土的折壓比有所下降。當硅灰摻量為膠凝材料總量的10%時，混凝土材料的折壓比最大，為0.398，相較于不摻硅灰的混凝土增加了13.4%。

3 結 論

（1）隨著粉煤灰摻量的增加，混雜纖維增強納米高韌性混凝土材料的7d抗折強度先增加后降低。當粉煤灰摻量為膠凝材料總量的10%時，抗折強度達到最大為31.36 MPa；混凝土材料的7d抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增加有所降低，但折壓比有所增加，說明粉煤灰的加入會降低混凝土材料的早期強度，但可以提高其延性和抗裂性能。

（2）隨著硅灰摻量的增加，本試驗所制備的混雜纖維增強納米高韌性混凝土的7d抗壓強度、7d抗折強度和折壓比均呈現先提高后降低的趨勢。當硅灰摻量為膠凝材料總量的10%時，早期抗壓強度、早期抗折強度、折壓比均達到最大，分別為77.26 MPa、30.75 MPa和0.398。說明摻入適量的硅灰，可有效的改善混雜纖維增強納米高韌性混凝土的性能。

參考文獻

［1］ 萬惠文，韋鵬亮，陳超，等.混雜纖維對混凝土性能的影響試驗研究［J］.混凝土，2013（10）：79-82．

［2］ GLAVINDM，AARRET.High-strengthconcretewithincreased fracture-toughness［C］.Materials Research Society Symposia Proceedings，1991：39-46.

［3］ CHI Y，XU L，ZHANG Y.Experimental study on hybrid fiber-reinforcedconcretesubjectedtouniaxialcompression［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2014，26（2）：211-218.

［4］ 王景賢，王立久.納米材料在混凝土中的應用研究進展［J］.混凝土，2004（11）：18-21.

［5］ 黃政宇，曹方良. 納米材料對超高性能混凝土性能的影響［J］.材料導報，2012，026（18）：136-141.