納米SiO2和聚丙烯纖維水泥混凝土強度研究

何東坡 史 賀

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

水泥混凝土路面存在抗彎拉強度不足、剛性過大和脆性過高等缺點，在車輛行車荷載作用下，很容易遭到損壞，給道路的正常運營造成重大的損失，因而限制了在部分公路中的應(yīng)用[1]。因此，提高水泥混凝土路面的各方面性能迫在眉睫，采用新材料、新工藝提升路面混凝土性能、拓展水泥混凝土路面應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。

近年來，納米技術(shù)和納米材料正在成為工程行業(yè)的關(guān)鍵角色，添加各種材料來改善水泥混凝土性能的研究較為廣泛[2]。Nili[3]和Genady Shakhmenko等[4]研究發(fā)現(xiàn)納米SiO2對水泥基后期強度提高作用不大，但能顯著增強水泥基的早期強度。Sivasankaran U等[5]研究了納米SiO2如何改善粉煤灰混凝土整體強度性能，結(jié)果表明添加1%的納米SiO2和25%的粉煤灰混凝土壓縮強度增加，極限拉伸強度增加了28%。

聚丙烯纖維對混凝土可以減小混凝土內(nèi)部的細微裂紋和由于早期收縮裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力集中，因此學(xué)者們對聚丙烯纖維展開了大量研究。Makita等[6]通過靜載試驗和落錘試驗發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維混凝土的抗沖擊性能及殘余延性能夠得到明顯地增強。Piroti等[7]研究了水灰比對聚丙烯纖維增強的納米SiO2混凝土的機械性能的影響，結(jié)果表明，隨著水灰比從0.50降至0.30，混凝土的機械性能均得到改善，使用聚丙烯纖維,混凝土28 d的拉伸強度、彎曲強度和耐磨性分別提高了22%，40%和27%。單景松等[8]研究表明纖維的摻量及長度變化對透水混凝土各性能的影響不同，可根據(jù)實際受力狀態(tài)和功能要求綜合確定纖維參數(shù)，建議纖維長度范圍取12 mm～18 mm、摻量取1.0 kg/m3～1.5 kg/m3。

水泥混凝土微觀層面上的物理和化學(xué)反應(yīng)時刻進行，目前，國內(nèi)外學(xué)者對水泥混凝土基體及基體—集料界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)和成分展開了大量研究。劉新等[9]通過研究提出將改善C-S-H本身力學(xué)性能的技術(shù)擴展應(yīng)用到水泥基材料是提升混凝土結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。歐陽利軍等[10]歸納了影響混凝土界面過渡區(qū)特性的因素，如微觀硬度、氫氧化鈣晶向指數(shù)和孔隙分布狀態(tài)等，指出了混凝土在界面過渡區(qū)微觀特性方面要探究的方向。

本研究嘗試通過力學(xué)性能試驗探究納米二氧化硅和聚丙烯纖維水泥混凝土的最佳摻量，并從微觀結(jié)構(gòu)的角度分析納米二氧化硅和聚丙烯纖維對混凝土的強度改善機理，以期通過改善混凝土路面的不足，擴展水泥混凝土路面的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 實驗

1.1 試驗材料

試驗采用P.O42.5級硅酸鹽水泥；砂為天然砂礫，細度模數(shù)為3.0；水為自來水；天然粗骨料為粒徑范圍于4.75 mm～16 mm間的碎石；納米二氧化硅選用的型號為TSP-H10，具體的特征參數(shù)見表1；聚丙烯纖維物理性能指標(biāo)見表2。

表1 納米二氧化硅特征參數(shù)

表2 聚丙烯纖維物理性能指標(biāo)

1.2 試驗配合比

本試驗設(shè)計強度C30，依據(jù)JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程規(guī)定，由計算得水膠比為0.59的配合比為基礎(chǔ)配合比，試驗基本配合比如表3所示。納米二氧化硅以水泥質(zhì)量分數(shù)的0%,0.5%,1.0%,1.5%內(nèi)摻代替水泥；聚丙烯纖維以水泥體積分數(shù)的0%,0.1%,0.15%,0.2%外摻代替水泥，試驗共設(shè)計16組配合比，共計144個試塊。

表3 試驗基本配合比

1.3 試驗方法

由于納米二氧化硅直接拌入混凝土中會由于分散不均勻而影響混凝土性能，根據(jù)張茂花[11]對納米二氧化硅摻入混凝土方式的研究，本試驗水泥混凝土拌合順序為：砂+碎石+水泥→分兩次加入聚丙烯纖維→加入納米二氧化硅和水的混合液。制備試件后，放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室內(nèi)養(yǎng)護至28 d齡期，按照試件編號，根據(jù)JTG E30公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程進行水泥混凝土立方體抗壓強度試驗、立方體劈裂抗拉試驗以及水泥混凝土抗彎拉強度試驗。

2 結(jié)果與分析

使用萬能壓力機測出相關(guān)強度數(shù)據(jù)并進行計算，結(jié)果繪制見圖1～圖3。

由圖1可知，抗壓強度隨聚丙烯纖維的增加先增大后減小，纖維摻量為0.1%時抗壓強度最大，此時單摻聚丙烯纖維的試件抗壓強度提高了3.9%，纖維摻量為0.1%的試件在納米二氧化硅摻量為0.5%，1.0%，1.5%時抗壓強度增長率分別為3.9%，1.2%，5.4%。當(dāng)纖維摻量達到0.15%時，單摻纖維試件的抗壓強度與未摻加纖維試件相比下降了17.9%，而纖維摻量為0.2%時下降率甚至達到了23.5%。說明聚丙烯纖維摻入過多時，會因為分散不均勻而影響混凝土的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致混凝土密實度下降，抗壓強度隨之下降。

縱向觀察圖1可知，抗壓強度隨納米SiO2摻量增加而持續(xù)增大，抗壓強度在納米SiO2摻加1.5%時最大，此時單摻納米SiO2試件提高了10.1%。在聚丙烯纖維摻量為0.1%,0.15%,0.2%時，納米SiO2摻量為1.5%的試件與未摻加納米SiO2的試件相比增長率分別為11.7%,23.1%,20.5%。

當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.1%、納米二氧化硅摻量為1.5%時試件抗壓強度最大，與未摻試件相比可提高16.0%。試驗結(jié)果可以看出低摻量聚丙烯纖維可以提高混凝土的抗壓強度，但提高幅度不大，所以聚丙烯纖維的摻加不能明顯增強抗壓強度，但摻加納米SiO2可以顯著增強混凝土抗壓強度。

由圖2可知，混凝土劈裂抗拉強度隨聚丙烯摻量增加先增大然后持續(xù)減小。聚丙烯纖維摻量為0.1%時混凝土劈裂抗拉強度最大，此時單摻聚丙烯纖維的試件劈裂抗拉強度提高了40%。在納米二氧化硅摻量為0.0%，0.5%，1.0%，1.5%時，纖維摻量為0.15%和0.2%的試件，與纖維摻量為0.1%的試件相比劈裂抗拉強度降低率分別為12.2%，9.7%，6.9%，11.4%和29.5%，16.7%，16.6%，17.1%，與未摻纖維試件相比劈裂抗拉強度確有增長。

縱向觀察圖2可知，納米SiO2達到混凝土質(zhì)量分數(shù)的1.0%時劈裂抗拉強度最大，此時單摻納米SiO2試件的劈裂抗拉強度提高了11.5%。在纖維摻量為0.1%，0.15%，0.2%時，納米SiO2摻量為1.0%的試件與未摻加納米SiO2試件相比劈裂抗拉強度增長率分別為3.4%，9.6%，11.6%。納米SiO2摻量為1.5%時混凝土的劈裂抗拉強度雖然低于納米SiO2摻量為1.0%的試件，卻仍高于未摻納米SiO2試件的劈裂抗拉強度。

聚丙烯纖維摻量為0.1%、納米二氧化硅摻量為1.0%時混凝土劈裂抗拉強度最大，與雙未摻試件相比增加了44.8%。聚丙烯纖維摻入量超過體積分數(shù)的0.1%，納米二氧化硅摻量超過質(zhì)量分數(shù)的1.0%時劈裂抗拉強度均開始降低。因此，納米SiO2的加入對提高混凝土的劈裂抗拉強度是有效的，但改善效果不如聚丙烯纖維。

由圖3可知，混凝土抗折強度隨聚丙烯摻量的增加先增大后減小，在摻加0.1%的聚丙烯纖維時最大，此時單摻聚丙烯纖維的試件抗折強度提高了36.5%。在相同的納米二氧化硅摻量下，纖維摻量為0.1%的試件與未摻加纖維的試件相比抗折強度均有大幅度增長，納米二氧化硅摻量為0.5%，1.0%，1.5%時抗折強度增長率分別為35.5%，33.3%，32.7%。而纖維摻量為0.15%和0.2%的試件，在納米二氧化硅摻量為0%，0.5%，1.0%，1.5%時與纖維摻量為0.1%的試件相比抗折強度有不同程度的下降，但仍高于未摻纖維試件的抗折強度。

縱向觀察圖3可知，納米SiO2摻量達到混凝土質(zhì)量分數(shù)的1.0%時抗折強度最大，此時單摻納米SiO2的試件抗折強度提高了9.6%。在纖維摻量為0.1%，0.15%，0.2%時，納米SiO2摻量為1.0%的試件與未摻加納米SiO2的試件相比抗折強度增長率分別為7.0%，9.2%，12.3%。當(dāng)納米SiO2摻量為1.5%時混凝土的抗折強度雖然低于納米SiO2摻量為1.0%的試件，但抗折強度仍然高于未摻加納米SiO2的試件。

當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.1%、納米二氧化硅摻量為1.0%時混凝土抗折強度最大，與未摻試件相比增加了46.2%。可以看出，納米SiO2和聚丙烯纖維的加入可以提高混凝土的抗折強度。聚丙烯纖維摻入量超過0.1%，納米二氧化硅摻量超過1.0%時抗折強度均開始降低。

綜合以上分析結(jié)果，聚丙烯纖維摻量為0.1%、納米二氧化硅摻量為1.0%時，混凝土劈裂抗拉和抗折強度最大，雖然0.1%聚丙烯纖維和1.5%納米二氧化硅摻量的試件抗壓強度最大，但0.1%聚丙烯纖維和1.0%納米二氧化硅摻量的試件的抗壓強度與未摻試件相比提高了10.9%，由于混凝土抗彎拉強度不足為限制其應(yīng)用的主要因素，選用0.1%聚丙烯纖維和1.0%納米二氧化硅摻量為混凝土抗折強度下的最佳摻量。

3 微觀分析

選取養(yǎng)護齡期28 d，一定摻量的納米二氧化硅和聚丙烯纖維所對應(yīng)的混凝土試件，對其進行噴金加工得到需要的試樣，然后對試樣進行掃描電子顯微鏡(SEM)試驗，研究其不同摻量在微觀層面上對相應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)的作用情況。

3.1 聚丙烯纖維對混凝土影響的微觀分析

不親水的聚丙烯纖維與水泥基材界面的水灰比一般來說都比水泥基材料自身高，導(dǎo)致聚丙烯纖維—水泥基材界面強度較弱[12]。因此，聚丙烯纖維對硬化混凝土性能的影響是不容忽視的。

由圖4a)和圖4b)可以看出，聚丙烯纖維由于受力拉伸，外觀呈扁平狀，且纖維表面有明顯開裂、脫皮等摩擦痕跡。根據(jù)纖維阻裂效應(yīng)，聚丙烯纖維在混凝土硬化后阻擋混凝土自收縮，降低微裂縫尖端的應(yīng)力集中，減少微裂縫的同時會拉伸變形并產(chǎn)生摩擦。而在試件受力破壞產(chǎn)生裂縫時，聚丙烯纖維受到試件開裂產(chǎn)生的拉應(yīng)力影響，裂縫前端與纖維相交，導(dǎo)致纖維承受部分應(yīng)力，自身拉伸變形。宏觀上可以體現(xiàn)為聚丙烯纖維的摻入，顯著地提高了混凝土的劈裂抗拉、抗折強度。

3.2 納米二氧化硅對混凝土影響的微觀分析

納米二氧化硅特有的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，參與混凝土的水化反應(yīng)并放熱促進反應(yīng)進一步進行，從而提高混凝土的強度，因此，對納米二氧化硅微觀結(jié)構(gòu)如何影響混凝土的強度進行分析。

不同納米二氧化硅摻量下，混凝土微觀結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別。未摻加納米二氧化硅試樣如圖5a)所示，可以看到較多形狀不規(guī)則的宏觀孔，a處為還未完全成形的水化硅酸鈣凝膠，b處為大塊六角棱形Ca(OH)2晶體，因此，未摻加納米二氧化硅的水泥水化反應(yīng)進行緩慢，宏觀上體現(xiàn)為強度提升緩慢。1.0%納米二氧化硅試樣如圖5b)所示，試樣表面整體均勻密實，C-S-H凝膠和針狀棱柱形的鈣礬石晶體明顯增多，表面存在的少量Ca(OH)2晶體也被C-S-H凝膠包圍，這樣密實的結(jié)構(gòu)在宏觀上體現(xiàn)為混凝土的抗壓、劈裂抗拉和抗折強度均有大幅度提高。1.5%納米二氧化硅試樣如圖5c)所示，左側(cè)區(qū)域水化進程相對緩慢，右側(cè)區(qū)域由于摻入過多的納米二氧化硅，部分未參與反應(yīng)的納米二氧化硅聚集成團，在水泥基材料中分散不均勻。因此，宏觀上納米二氧化硅摻量達到1.5%時，混凝土的劈裂抗拉和抗折強度有所降低，而抗壓強度也增長緩慢。

3.3 納米二氧化硅和聚丙烯纖維對混凝土微觀結(jié)構(gòu)的共同作用

在水泥混凝土中摻入適量納米二氧化硅和聚丙烯纖維后，由于納米二氧化硅的小顆粒可以填充在更細小的毛細孔隙中，有效地彌補聚丙烯纖維摻入過多時造成的缺陷，使聚丙烯與水泥基材料黏結(jié)緊密，提高水泥基材料的密實度。并且由于納米二氧化硅的比表面能很高[13]，能快速地與Ca(OH)2反應(yīng)，促進水泥的水化反應(yīng)，生成更多有利于混凝土強度提高的水化產(chǎn)物。當(dāng)混凝土受到荷載時，適量聚丙烯纖維在混凝土內(nèi)部均勻亂向分布所構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)會和納米二氧化硅共同作用，聚丙烯纖維發(fā)生變形消耗部分能量的同時，二者共同發(fā)揮作用延緩裂縫尺寸的發(fā)展。因此適量納米二氧化硅和聚丙烯纖維的加入有利于混凝土各項強度的提升。

4 結(jié)語

通過對不同摻量納米二氧化硅和聚丙烯纖維水泥混凝土力學(xué)性能試驗的結(jié)果的研究及微觀結(jié)構(gòu)的分析，可以得出以下結(jié)論：

1)納米二氧化硅和聚丙烯纖維摻入可以有效提升混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度，納米二氧化硅對混凝土的抗壓強度的提升起更大的作用，聚丙烯纖維對混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度的提升效果則更顯著。

2)聚丙烯纖維摻量為0.1%、納米二氧化硅摻量為1.5%時混凝土抗壓強度最大，與未摻試件相比可提高16.0%，聚丙烯纖維摻量為0.1%、納米二氧化硅摻量為1.0%時混凝土劈裂抗拉強度和抗折強度均最大，與未摻試件相比分別增加了44.8%和 46.2%。

3)由微觀試驗結(jié)果分析可以得知，同納米二氧化硅摻量下，摻入0.1%聚丙烯纖維的混凝土由于纖維的阻裂效應(yīng)，劈裂抗拉強度和抗折強度遠高于未摻纖維的混凝土。

4)由微觀試驗結(jié)果分析可知，同聚丙烯纖維摻量下，摻入1.0%納米二氧化硅能夠促進水化反應(yīng)進行，并且物理填充混凝土孔隙，從而大幅度地增強混凝土的抗壓強度，并能夠在一定程度上增強劈裂抗拉強度和抗折強度。

5)在微觀結(jié)構(gòu)下雙摻納米二氧化硅和聚丙烯纖維，共同形成起一定支撐作用的骨架結(jié)構(gòu)，同時填充內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙及裂縫，使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密。