鋼纖維納米SiO2混凝土強度的試驗研究

陳 剛，高丹盈，王 東，李 琛

（1.鄭州大學 新型建材與結構研究中心，河南 鄭州 450002；2.湖北水總水利水電建設股份有限公司，湖北 武漢 430034）

普通混凝土因其強度相對較低、極限延伸率小、性脆、抗滲效果較差等缺點，在實際工程中的應用具有一定的局限性.利用微觀和細觀復合化是改善混凝土性能的重要手段.細觀復合是在普通混凝土中引入亂向分布的短纖維，由于纖維自身的抗拉強度大、延伸率大，使混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊強度及延伸率和韌性都得以提高[1].微觀復合是將微觀尺度的物質摻加到混凝土當中，利用其小尺寸、量子尺寸、表面及界面效應，從微觀結構、水化效率和界面性能等方面的改善賦予普通混凝土更高的性能.

因此，細觀復合和微觀復合和在各自層次上作用機理是不相同的.那么，通過微觀和細觀的共同復合來進一步提高混凝土性能就成為了建筑復合材料發展過程中的一個新的研究方向.為此，筆者將鋼纖維和納米材料共同加入到混凝土當中，試驗研究了鋼纖維體積分數、納米材料替代水泥質量對混凝土抗壓和劈拉強度的影響.

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗采用42.5普通硅酸鹽水泥；細骨料為級配良好的天然中河砂，細度模數2.7；粗骨料為級配連續的天然石灰石碎石，粒徑5～20mm；貝卡爾特切斷弓形鋼纖維：公稱直徑0.55±10%mm，長度35±10%mm，抗拉強度1345±15%MPa；納米SiO2：主含量 99.5%，白色粉末狀，平均粒徑為30 nm，比表面積200±10m2/g，表觀密度40～60 g/L，pH值5～7，灼燒失重6%；外加劑為聚羧酸高效減水劑.

1.2 試驗方法

試驗以鋼纖維的體積分數、納米SiO2的摻量（替代水泥質量的比率）作為變化參數研究鋼纖維納米混凝土的抗壓及劈拉強度.鋼纖維體積分數從0.0%到1.5%；納米SiO2摻量從0.0%到2.0%.試驗參數變化組合以及混凝土的配合比如表1所示.

納米SiO2的摻加方式不同，對混凝土基體強度的影響效果也不同，將納米材料摻入減水劑后作用于混凝土的效果要優于作為摻合料直接用于混凝土，摻入減水劑的方式既解決了納米材料的聚團問題，又可減小減水劑的用量[2].因此，本試驗中納米材料的摻加方式為：將納米SiO2分散于水中后摻入減水劑混合均勻，然后與鋼纖維一起倒入水泥、砂、石的拌合物中攪拌.

鋼纖維納米混凝土的抗壓強度和劈拉強度試驗按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50080-2002）和《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS13-2009）要求制作邊長為150mm的立方體試件，每組3個試件，標準養護至28 d后按上述規程規定的試驗方法測試.

表1 試驗參數變化組合及混凝土配合比Table 1 Experimentalparametersandm ix proportion of concrete

2 鋼纖維納米混凝土的抗壓強度

2.1 抗壓強度試驗現象

普通混凝土試塊在達到極限荷載時，外圍混凝土伴隨著巨響突然爆裂，荷載迅速歸零，僅存有核心的楔形殘余部分.鋼纖維摻入到混凝土以后，極限荷載后仍存有不同程度的殘余強度，并且能夠明顯聽到試件受到擠壓以及鋼纖維脫離混凝土時發出的響聲，同時觀察到試件表面有多條縱向裂縫，但結構相對完整，呈現出一定的塑性特征.納米SiO2的摻入以及摻量的增加并沒有改變混凝土的破壞現象及特征.

2.2 鋼纖維體積分數對抗壓強度的影響

鋼纖維的體積分數與鋼纖維納米混凝土的抗壓強度的關系如圖1所示.由圖1知，鋼纖維納米混凝土的抗壓強度隨鋼纖維體積分數的增大而得到相應的增強.鋼纖維體積分數為0.5%時，抗壓強度為52.16 MPa，相對0.0%鋼纖維體積分數試件的抗壓強度，增幅達到16.40%；鋼纖維體積分數增加至1.0%時，抗壓強度為53.35 MPa，相對于前者增幅減緩，增幅為19.06%；當鋼纖維體積分數達到1.5%時，抗壓強度又較大幅度地提高至58.68MPa，增幅29.03%.

對文獻[3-5]中普通強度混凝土抗壓強度試驗結果統計分析發現，當鋼纖維體積分數在0.0%～1.5%時，鋼纖維混凝土抗壓強度最大提高25%左右，且往往在此體積分數范圍內存在強度峰值.對于普通混凝土而言，基體的密實度決定了最終的抗壓強度，較多的鋼纖維摻入以后，鋼纖維比表面積增加但缺乏足夠的漿體包裹與填充，也由于在成型過程中攪拌振搗不實等人為因素造成鋼纖維混凝土密實度下降，致使鋼纖維摻量增加到一定程度后抗壓強度降低.本文試驗中摻入鋼纖維的同時又摻加了1%的納米SiO2.納米SiO2的極小顆粒有效地填充了漿體，細化了鋼纖維在基體中引入的微小缺陷，另外納米SiO2能夠促進水泥漿體水化生成C-S-H膠凝，改善了水泥石的微觀結構，提高了水泥基體的密實度[6-8]，是鋼纖維體積分數達到1.5%仍取得較大強度增長的關鍵所在.

2.3 納米材料摻量對抗壓強度的影響

圖2給出了不同納米SiO2摻量與鋼纖維納米混凝土抗壓強度的關系.由圖2可知，在鋼纖維體積分數同為1%的情況下，隨著納米SiO2摻量增加，試塊的強度緩慢增長.相對于不摻納米材料的鋼纖維混凝土，當摻量從0.5%增加到2%時，抗壓強度從50.27MPa提高至58.68MPa，增幅范圍為4.73～16.73%.

從試驗結果可以看出，納米SiO2摻量越高，混凝土的抗壓強度的提高幅度也就越大.更多的納米SiO一方面可以更大程度上地填充水泥基復合材料的微小孔隙，提高密實度；另一方面，更有效地細化了界面中的Ca(OH)2晶粒并充分吸收了界面富集的Ca(OH)2晶體，減小了Ca(OH)2含量[8]，進一步提高了水化效率，這對混凝土抗壓強度的增長是有利的.

3 鋼纖維納米混凝土的劈拉強度

3.1 劈拉強度試驗現象

普通混凝土在達到初裂荷載后，伴隨著脆響荷載迅速下降，試件隨即沿中線被劈開為兩半.鋼纖維混凝土在產生初裂以后荷載并未立即達到極限，破壞面的兩側仍然依靠裂縫間的鋼纖維連接成為一個整體，持續荷載作用下，鋼纖維從基體間緩慢被拔出，隨著裂縫逐漸增大，拔出端鋼纖維的彎鉤被拉直，鋼纖維的存在進一步提高了極限荷載.試驗過程中同樣未發現納米SiO2的摻入及摻量變化對混凝土破壞現象及特征的改變.

3.2 鋼纖維體積分數對劈拉強度的影響

鋼纖維體積分數與劈拉強度的關系如圖1所示.由圖1可知，隨著鋼纖維體積分數的增大，劈拉強度也相應的呈增長態勢.當鋼纖維體積分數為0.5%，1.0%，1.5%時，對應的劈拉強度值分別為3.94 MPa，4.80MPa，6.76MPa，相比于0.0%鋼纖維體積分數的試件強度，提高了71%，108%和193%.

我國《纖維混凝土結構技術規程》（CECS：38-2004）規定，鋼纖維混凝土的抗拉強度計算公式為：

利用式 (1)和式 (2)對本文的試驗數據進行回歸分析，得到鋼纖維對納米混凝土的劈拉強度影響系數為1.945，與試驗值的相關系數為0.980．《纖維混凝土結構技術規程CECS：38-2004》在試驗數據統計的基礎上通過規律性分析，取切斷弓形鋼纖維對普通混凝土的強度影響系數為0.793 4．為了將普通鋼纖維混凝土與鋼纖維納米混凝土的鋼纖維增強效果進行比對，在采用上述規程提出的影響系數基礎上，本文將試驗得出的不摻納米材料試件的劈拉強度代入式 (1)和式 (2)中，得到普通混凝土的劈拉強度計算值，并將計算結果與納米混凝土劈拉強度計算值進行比較，如圖3所示．可見，在鋼纖維體積分數相同的情況下，納米混凝土劈拉強度的提高幅度遠大于普通混凝土.因此可以認為，在劈拉性能方面，納米材料的摻入對鋼纖維作用效率的提高具有很大的幫助.

3.3 納米材料摻量對劈拉強度的影響

圖2為不同納米SiO2摻量與鋼纖維納米混凝土劈拉強度的關系.由圖2可知，納米SiO2摻量在0.5%時，劈拉強度達到最大，為5.16MPa，增幅9.09%；當納米SiO2摻加至2%時，劈拉強度又逐步減小至4.72MPa，接近SiO2摻量為0%時的劈拉強度.

適量納米SiO2的摻入改善了基體與鋼纖維的界面過渡區，提高了兩者之間的粘結性能，使鋼纖維從基體中拔出需要消耗更多的能量，這是鋼纖維納米混凝土劈拉強度提高的一個因素.同時，由于本文試驗采用的是將納米SiO2替代等質量的水泥質量作為研究對象，水泥的膠結性能也是影響混凝土抗拉強度的一個重要原因，而納米SiO2本身并不具有膠結特性，只是從微觀上間接地提高混凝土的抗拉性能，且界面改善作用十分有限.因此，當納米材料替代水泥質量的增多，并不會更進一步地增強鋼纖維混凝土的抗拉性能.

4 結論

1）鋼纖維摻入到納米混凝土后，試件的破壞形態由脆性破壞轉變為塑性破壞，抗壓強度隨鋼纖維體積分數的提高而逐漸增大.鋼纖維體積分數增加至1.5%時，抗壓強度提高29.03%.

2）鋼纖維可大幅提高納米混凝土劈拉強度，隨著體積分數的增加，作用效果愈加明顯.鋼纖維體積分數增加至1.5%時，劈拉強度提高193%，對納米混凝土劈拉強度的影響系數為1.945.

3）納米SiO2摻量的增多，鋼纖維納米混凝土的抗壓與劈拉強度都有一定程度的提高.當納米SiO2摻加至2%時，抗壓強度提高16.73%.但納米SiO2摻量大于0.5%時，劈拉強度沒有得到進一步增長.

[1]高丹盈，劉建秀.鋼纖維混凝土基本理論 [M].北京：科學技術文獻出版社，1994.

[2]楊瑞海，陸文雄，余淑華，等.復合納米材料對混凝土及水泥砂漿的性能影響 [J].重慶建筑大學學報，2007，29（5）：144-148.

[3]高丹盈，趙軍，朱海堂.鋼纖維混凝土設計與應用 [M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[4]章四明.鋼纖維摻量對鋼纖維混凝土強度的影響 [J].建筑科學，2008，24（3）：36-38.

[5]趙亮平，高丹盈，朱海堂.鋼纖維對混凝土強度和韌性的影響 [J].華北水利水電學院學報，2012，33（6）：29-32.

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