納米SiO2/PVA纖維復(fù)合改性HVFC的斷裂性能實(shí)驗(yàn)研究

黃靜靜，李冬冬，吳 鳴*，李庚英，2

（1.汕頭大學(xué)土木環(huán)境系，廣東 汕頭 515063；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木學(xué)院，廣東 廣州 510642）

0 前言

高摻量粉煤灰混凝土（HVFC）具有造價(jià)低、水化熱低、耐久性好、綠色環(huán)保等特征，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水工大壩、道路工程等大體積混凝土結(jié)構(gòu)中[1-6].但是由于其早期強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度低、韌性差，使其不僅僅在受到?jīng)_擊荷載時(shí)容易剝落、破碎，降低其最終承載能力，而且在正常工作狀態(tài)下也容易產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性不足.PVA纖維具有較高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度、親水性好、耐酸堿腐蝕、耐候性好、與水泥粘結(jié)力高、綠色環(huán)保等特點(diǎn)[7-9].在混凝土中增加亂向分布的PVA短纖維，能夠起到阻裂、增強(qiáng)和增韌的作用[9-11].納米SiO2（NS）一方面可以填充水泥的孔隙，提高混凝土的密實(shí)度，另一方面還能起到晶核作用，提高膠凝材料的水化速度[12-13].我們?cè)缙诘难芯勘砻鳎贖VFC中摻入適量NS，不但能使得混凝土的早期強(qiáng)度快速發(fā)展，還能提高混凝土的耐硫酸鹽腐蝕能力[2].在上述研究的基礎(chǔ)上，本文研究了單摻及復(fù)摻NS、PVA纖維對(duì)HVFC彎曲斷裂性能的影響，通過與素混凝土對(duì)比，分析了NS及PVA摻量對(duì)混凝土彎曲韌性的影響，并且采用掃描電鏡分析了其微觀結(jié)構(gòu)特征，為進(jìn)一步開展該種混凝土的研究奠定了基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

采用的膠凝材料包括P.O 42.5R型水泥，粉煤灰和納米SiO2（NS），其物理化學(xué)性能如表1所示.粉煤灰的微觀形貌如圖1所示，顯然粉煤灰主要由大量球形顆粒組成.NS的粒徑為30 nm.粗集料的最大粒徑為25 mm，壓碎指標(biāo)9.84%，堆積密度1 486 kg/m3.細(xì)集料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.50，表觀密度2.65 g/cm3，堆積密度1.54 g/cm3，空隙率41.0%，含泥量0.55%.本論文采用的減水劑為萘系高效減水劑，外觀為褐黃色粉末，其主要成分為β基萘磺酸鹽甲醛縮合物，減水效率為25%.PVA纖維為日本株式會(huì)社生產(chǎn)的KURALON K-II型纖維，其特性見表2，PVA的外觀特征及分子結(jié)構(gòu)如圖2.

表1 水泥、粉煤灰和納米SiO2的物理化學(xué)性能

表2 PVA纖維物理力學(xué)性能

圖1 SEM下粉煤灰微觀結(jié)構(gòu)

圖2 PVA纖維及分子結(jié)構(gòu)

1.2 試件準(zhǔn)備及測(cè)試

首先將粗細(xì)集料、水泥、粉煤灰和NS在攪拌機(jī)中干拌2 min；然后將水、減水劑混合均勻后再加入到干拌材料中，濕拌2 min；之后一邊攪拌一邊沿著攪拌方向?qū)VA纖維加入有一定流動(dòng)度的拌合料中，再攪拌2 min；最后將攪拌均勻的新拌混凝土加入100 mm×100 mm×400 mm的模具中，震動(dòng)2 min后抹平.在24 h后拆模，將試塊放到養(yǎng)護(hù)室，采用飽和石灰水養(yǎng)護(hù).混凝土具體配合比設(shè)計(jì)見表3.

表3 納米SiO2/PVA纖維增強(qiáng)HVFC配合比

斷裂韌性測(cè)試參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 13-2009）中的規(guī)定，采用四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)（如圖3）測(cè)試，每組3個(gè)試件，測(cè)試齡期為28 d，試驗(yàn)所用設(shè)備為SANS抗折試驗(yàn)機(jī)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).試驗(yàn)前，通過鋼尺在試件上畫好三分點(diǎn)，然后將試件安放在支座上，保證支座兩端各留出50 mm.將分配梁的兩個(gè)支座依次對(duì)準(zhǔn)試件的三分點(diǎn)，確保均勻受力，并將位移傳感器固定在試件跨中上方.鑒于試驗(yàn)所用的設(shè)備，位移傳感器采用磁性固定裝置.試驗(yàn)加載前，需要進(jìn)行預(yù)加載，從而保證試件與支座良好接觸.試驗(yàn)加載由位移控制，加載速率為0.02 mm/min，加載過程中記錄時(shí)間、荷載、跨中撓度.撓度采用NS-WY03位移傳感器收集，并連接MIP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)诫娔X中.為了保證記錄的荷載和撓度一致性，抗折試驗(yàn)機(jī)和位移傳感器的數(shù)據(jù)采集頻率都為1 HZ.記錄集中荷載P和試件跨中撓度δ繪制成荷載—撓度曲線，根據(jù)ASTM C1018[14]計(jì)算混凝土的韌性，ASTM C1018推薦的彎曲韌性指數(shù)由I5、I10、I20組成.

圖3 斷裂韌性四點(diǎn)彎曲測(cè)試示意圖

混凝土斷裂韌性指數(shù)計(jì)算示意圖如圖4所示，B點(diǎn)為初裂點(diǎn)，該方法是利用初裂撓度δ的3.0、5.5、10.5倍作為終點(diǎn)撓度，其值越大說明韌性越好，混凝土為脆性材料，這些韌性指數(shù)的指均為1.ASTM C1018推薦的彎曲韌性指數(shù)由I5、I10、I20組成，計(jì)算公式如下：

式中A1——從零點(diǎn)到初裂點(diǎn)撓度δ處，荷載-撓度曲線與橫軸圍成的面積；

A2——從撓度δ處到3δ之間，荷載-撓度曲線與橫軸圍成的面積；

A3——從撓度3δ處到5.5δ之間，荷載-撓度曲線與橫軸圍成的面積；

A4——從撓度5.5δ處到10δ之間，荷載-撓度曲線與橫軸圍成的面積.

圖4 ASTM C1018韌性指標(biāo)計(jì)算示意圖

此外，ASTM C1018還提出了殘余強(qiáng)度指標(biāo)R，由R5，10和R10，20組成，具體計(jì)算如式（4）-（5）：

理想彈塑性材料各級(jí)剩余強(qiáng)度均為100，而理想脆性材料，各級(jí)剩余強(qiáng)度均為0.對(duì)于纖維混凝土而言，剩余強(qiáng)度指標(biāo)R越大，其增韌效果越好.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 混凝土的荷載-撓度曲線

單摻NS混凝土的荷載-撓度曲線如圖5（a）所示，顯然，NS提高了混凝土的峰值荷載，但是不會(huì)改變混凝土的荷載-跨中撓度曲線，均表現(xiàn)為典型的脆性破壞，即混凝土在達(dá)到極限破壞荷載前，荷載與跨中撓度成線性關(guān)系，而達(dá)到極限荷載后，混凝土的承載力急劇降低.其初裂撓度、初裂抗彎強(qiáng)度、峰值跨中撓度和峰值荷載如表4所示.

圖5 NS和PVA纖維復(fù)合改性HVFC的荷載-跨中撓度曲線

單摻PVA纖維混凝土的荷載-撓度曲線如5（b）所示，從圖中可以看出，PVA纖維不僅提高了混凝土的峰值荷載還改變了荷載-撓度變形曲線特征，其中荷載峰值隨著PVA纖維摻的增加而增加.而荷載撓度曲線在達(dá)到峰值以前和基準(zhǔn)混凝土變化規(guī)律基本一致，都為線性關(guān)系，在這一階段，基體混凝土和PVA纖維作為一個(gè)整體共同承擔(dān)外加荷載，并且在此過程中混凝土主要為受力承擔(dān)者.而后，隨著外加荷載的增大，拉應(yīng)力超過混凝土受拉區(qū)承受能力，混凝土出現(xiàn)初始裂縫，變形不再滿足胡克定律，而呈現(xiàn)塑性變形.由于混凝土中亂向分布的PVA纖維能橫跨裂縫，起到了“微鋼筋”的作用，一方面可以提高混凝土的承載能力，還能限制了裂縫的擴(kuò)展速度.并且，混凝土極限承載能力和變形能力隨著PVA纖維摻量的增加而增加[10].

復(fù)摻NS/PVA纖維混凝土的荷載-撓度曲線如圖5（c）所示，從圖中可以看出，復(fù)摻NS/PVA纖維混凝土的荷載-撓度曲線與僅摻PVA纖維混凝土的荷載-撓度曲線變化情況基本一致.但是復(fù)摻適量NS更有利于提高混凝土的峰值強(qiáng)度和剩余強(qiáng)度，其中NS合理的摻量為0.5%～1.5%，當(dāng)NS摻量較大時(shí)，峰值荷載有所降低，這主要是因?yàn)楫?dāng)NS摻量較大時(shí)，混凝土的需水量會(huì)增大，拌合物的流動(dòng)性降低，不利于纖維的均勻分散，影響了混凝土的強(qiáng)度.

2.2 斷裂性能

單摻NS混凝土的彎曲斷裂性能如表4所示，顯然NS對(duì)混凝土的初裂跨中撓度、初裂抗彎強(qiáng)度和極限抗彎強(qiáng)度有輕微的影響.其中，NS的最佳摻量為1.0%，此時(shí)混凝土初裂強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土分別高4.6%和5.3%.

表4 單摻NS的粉煤灰混凝土彎曲斷裂性能

另外本文還測(cè)試了單摻NS對(duì)HVFC的7d和28 d強(qiáng)度的影響，測(cè)試結(jié)果如表4所示.從表4中可以看出，NS對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度遠(yuǎn)高于抗折強(qiáng)度.尤其值得注意的是，NS對(duì)HVFC的7 d抗壓強(qiáng)度影響顯著，當(dāng)NS摻量為0.5%，1.0%，1.5%和2.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別比未摻NS的混凝土高13%，20%，38%和31%.這一測(cè)試結(jié)果表明，NS具有激發(fā)膠凝材料水化速度的作用.

從表5及圖6中可以看出，單摻PVA纖維時(shí)，混凝土的初裂撓度、初始抗彎強(qiáng)度以及極限抗彎強(qiáng)度均隨著纖維摻量的增加而增加.當(dāng)PVA摻量為（0.08-0.20）%時(shí)，混凝土的初裂撓度、初裂抗彎強(qiáng)度和極限抗彎強(qiáng)度分別提高了（8.0-23.5）%，（8.4-24.2）%和（8.7-25.9）%.表5還表明，隨著纖維摻量的增加，混凝土的彎曲韌性指數(shù)I5、I10、I20逐漸增大，其中I20增加的幅度最大.當(dāng)纖維摻量為0.08%，0.1%和0.2%時(shí)，I20分別比素混凝土高5.47、7.18和9.01倍.這是由于在混凝土斷裂過程中，從基體中所拔出、拉斷所消耗的能量隨著纖維摻量的增加而增加.

表5還表明復(fù)摻少量NS可以進(jìn)一步提高PVA纖維的增韌效果.NS0.5/PVA0.08（NS摻量為0.5wt.%）的彎曲韌性指數(shù)I5、I10、I20分別是未改性混凝土的4.76，6.99及10.32倍，比NS0/PVA0.08高28%，43%和60%.但是PVA纖維摻量較高時(shí)，NS作用效果降低，NS0.5/PVA0.2的彎曲韌性指數(shù)I5、I10、I20比NS0/PVA0.2只提高了2%，5%和8%.這是由于纖維摻量較大時(shí)，NS的摻入會(huì)使得拌合物需水量增大，不利于纖維均勻分散，影響了纖維增韌效果.

表5 NS及PVA纖維對(duì)復(fù)合改性混凝土彎曲斷裂剩余強(qiáng)度指數(shù)的影響

圖6 NS和PVA纖維對(duì)改性混凝土極限抗彎強(qiáng)度的影響

2.3 殘余強(qiáng)度

殘余強(qiáng)度是指理想彈塑性材料各級(jí)剩余強(qiáng)度均為100，而理想脆性材料，各級(jí)剩余強(qiáng)度均為0.對(duì)于纖維混凝土而言，剩余強(qiáng)度指標(biāo)R越大，其增韌效果越好.

本文還增加公式（4）和（5）計(jì)算了混凝土斷裂殘余強(qiáng)度，其結(jié)果如表5所示，顯然PVA纖維和NS都顯著影響混凝土的殘余強(qiáng)度.為了更好的比較PVA纖維和NS的增強(qiáng)效果，本文以斷裂剩余強(qiáng)度表明纖維對(duì)混凝土的增韌效果.圖7是NS及PVA纖維摻量對(duì)混凝土剩余強(qiáng)度的影響，圖中以NS0/PVA0.08的剩余強(qiáng)度為基準(zhǔn)，顯然混凝土的剩余強(qiáng)度隨著PVA纖維摻量的增加，NS0/PVA0.1和NS0/PVA0.2的剩余強(qiáng)度R5，10比NS0/PVA0.08分別提高了44.9%和90.7%，而R10，20分別提高了22.3%和105.7%.少量的NS可以進(jìn)一步提高混凝土斷裂剩余強(qiáng)度，當(dāng)NS摻量為0.5%時(shí)，混凝土的剩余強(qiáng)度大幅度提高.其中NS0.5/PVA0.08，NS0.5/PVA0.1和NS0.5/PVA0.2的剩余強(qiáng)度R5，10比NS0/PVA0.08分別提高了90.0%，117.8%和114.4%，而R10，20分別提高了112.1%，105.7%和136.3%.

圖7 NS及PVA纖維摻量對(duì)混凝土斷裂剩余強(qiáng)度的影響

2.4 微觀結(jié)構(gòu)

通過掃描電鏡對(duì)高摻量粉煤灰水泥砂漿進(jìn)行微觀分析，對(duì)比圖8a和圖8b可知，復(fù)摻NS和PVA纖維的高摻量粉煤灰水泥砂漿微觀更加密實(shí)，摻入NS后未反應(yīng)的粉煤灰顆粒減少，并且還能使得PVA纖維/水泥界面更加緊密.界面粘結(jié)良好時(shí)，荷載能有效的從基體傳遞至纖維，使PVA纖維能承受更大的拉應(yīng)力.因此在彎曲試驗(yàn)過程中，其荷載-變形曲線的峰值和剩余強(qiáng)度隨著NS摻量的增加而增加.

圖8 高摻量粉煤灰水泥砂漿的微觀結(jié)構(gòu)（a.只摻PVA纖維；b.復(fù)摻NS和PVA纖維）

3 結(jié)論

本文通過4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了單摻NS，PVA纖維和復(fù)摻NS/PVA纖維對(duì)HVFC彎曲斷裂性能的影響，并采用掃描電鏡分析了其微觀結(jié)構(gòu)，主要結(jié)論如下：

1）單摻NS能促進(jìn)粉煤灰的水化，提高混凝土抗壓強(qiáng)度，當(dāng)其摻量為0.5%-2.0%時(shí)，混凝土7 d和28 d強(qiáng)度分別提高了13%-38%和6%-14%；

2）單摻NS能提高混凝土的初裂抗彎強(qiáng)度和極限抗彎強(qiáng)度，但是不能改變混凝土的脆性特征；

3）單摻PVA纖維能提高混凝土的斷裂韌性，并且纖維摻量越高混凝土斷裂韌性越好，當(dāng)纖維體積摻量為0.08%時(shí)，混凝土的斷裂韌性指數(shù)I5、I10、I20分別為素混凝土的2.72、3.90和5.47倍；

4）復(fù)摻NS/PVA纖維可以進(jìn)一步提高混凝土的斷裂韌性，PVA纖維摻量為0.08%時(shí)，NS的摻量為0.5%時(shí)，混凝土的彎曲韌性指數(shù)I5、I10、I20分別是素混凝土的3.76、5.99和9.32倍，且比PVA纖維摻量為0.08%，NS摻量為0%時(shí)的混凝土彎曲韌性指數(shù)分別提高了28%，43%和60%；

5）SEM分析結(jié)果表明，NS不但可以促進(jìn)粉煤灰的水化，密實(shí)混凝土的結(jié)構(gòu)，還可以提高PVA纖維和水泥基界面性能.