經(jīng)凍融循環(huán)后PVA-納米SiO2混凝土抗沖擊性能研究

肖 瑛 韓文宇 楊 萌

（煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264003）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，混凝土已經(jīng)運(yùn)用于許多大型工程，如水壩、電站、碼頭等，但在寒冷地區(qū)，如我國北方及南方高海拔地區(qū)，混凝土受到凍融環(huán)境的影響，其耐久性經(jīng)受著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。而對(duì)于水壩電站等水工結(jié)構(gòu)，不僅要求其抗凍性能優(yōu)異，在抗沖擊方面有了更高的要求。

目前，國外研究者對(duì)PVA 纖維和納米SiO2材料使用于水泥中的成果相對(duì)較少，但Mattaqin Hasan[1]通過凍融循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，探討了在凍融循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用后混凝土應(yīng)力-應(yīng)變的變化特征，并得出了應(yīng)力-應(yīng)變曲線中各特征變化和凍融循環(huán)次數(shù)間變化的關(guān)系式。王純璇等[2]深入研究了凍融循環(huán)系統(tǒng)對(duì)PVA 玻璃纖維水泥防凍耐久的負(fù)面影響，并依據(jù)最小二乘法原理和混凝土損傷變量的概念，構(gòu)建了一個(gè)Weibull 概率分布的PVA 玻璃纖維水泥凍融破壞模式。關(guān)瑞等[3]探討了凍融循環(huán)系統(tǒng)對(duì)納米再生水泥抗壓性能的負(fù)面影響。研究表明，經(jīng)過納米材料強(qiáng)化的再生混凝土，其抗壓強(qiáng)度有較大幅度的提高，特別是早期強(qiáng)度。楊偉[4]研究了納米SiO2對(duì)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(duì)動(dòng)彈性模量都呈現(xiàn)前增加后下降態(tài)勢(shì)，適當(dāng)?shù)募{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(jù)相對(duì)動(dòng)彈性模量與抗壓、抗拉強(qiáng)度，構(gòu)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(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，深入研究了其折斷韌度和斷裂能損失率，并根據(jù)此形成的鹽凍融損傷回歸方程。田建宗、逯靜洲[7]等人對(duì)混凝土凍融循環(huán)在疲勞負(fù)荷影響下的損傷工作中的，疲勞荷載的作用會(huì)明顯降低混凝土的抗凍性。

由此可見，學(xué)者們對(duì)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(jié)合后對(duì)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(qiáng)混凝土抗沖擊性的機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件材料與配合比

試驗(yàn)選用的主要材料為冀東牌PO42.5R 型普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分見表1；粗骨材則采用了10mm～30mm 級(jí)配的瓦礫顆粒；細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)小于2.8的自然河沙；水選用煙臺(tái)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(shù)見表2；納米SiO2由河北科澤金屬板材公司設(shè)計(jì)制造，性能參數(shù)見表3。

表1 水泥的化學(xué)組成/%

表2 PVA纖維的性能參數(shù)

表3 納米SiO2的性能參數(shù)

配合比遵循JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和DLT5330—2015《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》來制定本試驗(yàn)的方法，詳情見表4。

表4 混凝土配合比/kg/m3

1.2 試件設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法

1.2.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)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(yàn)；100mm×100mm×100mm 的立方體試塊則為強(qiáng)度測(cè)試。試件從澆筑完成至拆模為24h，拆模后放入環(huán)境溫度為20℃±3℃，濕度95%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28d后取出進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

將已養(yǎng)護(hù)好的混凝土試塊放入桶中加入清水內(nèi)浸漬3d，然后再經(jīng)過0 次、25 次、50 次、75 次、100 次的凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，凍融設(shè)備使用由天津市港源測(cè)試儀器廠提供的混凝土快速凍融測(cè)試機(jī)，如圖1所示。抗沖擊試驗(yàn)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(yàn)時(shí)，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(yàn)時(shí)，在落距為45.7cm 處將質(zhì)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(shù)。

圖1 快速凍融機(jī)

圖2 落錘沖擊設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果

在分別對(duì)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(jìn)行凍融0 次、25 次、50 次、75 次以及100 次凍融后，對(duì)試塊進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，整理出沖擊次數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖。從圖3 可知：較PT 對(duì)比組，在凍融前，PSI抗沖擊次數(shù)提高了98次；PVA抗沖擊次數(shù)提高了87次；SI抗沖擊次數(shù)提高了11次。在25次凍融后，PSI抗沖擊次數(shù)提高了109次，相對(duì)于凍融前增長了11.2%；PVA抗沖擊次數(shù)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(shù)提高了160 次，相對(duì)于凍融前增長了63.3%；PVA 抗沖擊次數(shù)提高了109 次，相對(duì)于凍融前增長了25.3%；SI提高了59次，相對(duì)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(shù)提高了189 次，相對(duì)于凍融前增長了92.9%；PVA抗沖擊次數(shù)提高了111次，相對(duì)于凍融前增長了27.5%；SI 提高了79 次，相對(duì)凍融前增長了618.2%。在凍融100 次后，PSI 抗沖擊次數(shù)提高了202次，相對(duì)于凍融前增長了106.1%；PVA抗沖擊次數(shù)提高了115 次，相對(duì)于凍融前增幅為32.1%；SI 抗沖擊次數(shù)提高了88 次，相對(duì)于凍融前增幅為700%。由此可見，在未凍融時(shí)，單納米SiO2的摻入對(duì)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(jī)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(nèi)平均提高幅度約為15.6%，這種提高隨著凍融齡期的增長會(huì)越發(fā)明顯。而PVA的摻入會(huì)在凍融全齡期內(nèi)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(shù)與凍融齡期關(guān)系圖

由此可見在所有凍融齡期內(nèi)，抗沖擊性能優(yōu)異性從高至低排序?yàn)椋篜SI＞PVA＞SI＞PT。造成這種現(xiàn)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(qiáng)了混凝土的抗沖擊性能，SiO2的加入增強(qiáng)了混凝土的抗凍性。

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M在自然的凍融環(huán)境作用下，對(duì)比出四種混凝土抗沖擊性能的優(yōu)異性，對(duì)四種混凝土凍融后的抗沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析后得出以下結(jié)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(huì)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%。