聚乙烯醇纖維-納米二氧化硅水工混凝土抗凍性能試驗研究

韓佳琪

(滄州水利勘測規劃設計院有限公司，河北 滄州 061000)

1 材料與方法

1.1 試驗材料

此次試驗研究使用的是P·O42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料為粒徑范圍5～20 mm的連續級配人工石灰巖碎石；細骨料為機制砂，細度模數為2.65；試驗用水為普通自來水；減水劑為聚羧酸高效減水劑。

試驗用聚乙烯醇纖維為徐州永泰化工科技有限公司生產，主要技術指標如下：長度12 mm，直徑15 μm，斷裂伸長率6.9%，抗壓強度1830 MPa，彈性模量40 GPa，密度1.29 g/cm3。

試驗用納米二氧化硅為天津新科科技有限公司生產，其主要技術指標如下：粒徑20 nm，體積密度0.06 g/cm3，比表面積240 m2/g，純度為99.85%。

1.2 試驗方案

研究中以水工建設中常用的C30混凝土為基準進行配合比設計，聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅的摻量參考相關單摻試驗的研究成果確定[1-5]。此次試驗僅以對比實驗的方式探討復摻方案對水工混凝土抗凍性的影響，不考慮聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅不同摻量水平配比可能對試驗結果的影響[6]。其中，聚乙烯醇纖維的摻加量以體積分式0.1%確定，納米二氧化硅的摻量以質量分數1.0%替代等量水泥材料，試驗方案設計和材料用量如表1所示。

表1 不同試驗方案單方配合比 kg

1.3 試驗方法

此次試驗采用100 mm×100 mm×400 mm的長方體試件。在混凝土材料制作過程中，首先按照配合比方案設計稱量好各種試驗材料，并將粗骨料、細骨料和水泥倒入攪拌機攪拌1 min。對于普通混凝土，加入水攪拌60 s；對于單摻聚乙烯醇纖維方案，則加入聚乙烯醇纖維攪拌60 s，再加入水攪拌60 s；對于單摻納米二氧化硅方案，則加入納米二氧化硅和水的混合液并攪拌120 s；對于復摻方案，則加入聚乙烯醇纖維攪拌60 s，再加入納米二氧化硅和水的混合液并攪拌120 s。將制作完成的混凝土材料迅速倒入試模成型，在脫模編號后放入標準養護室養護至28 d齡期備用。

試件的凍融試驗采用NELD-BFC 型快速凍融試驗機，并按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)中的快凍法要求進行。試驗結束后通過對試驗數據的整理和對比分析，對不同方案試件的抗凍性進行比較和評價。

2 試驗結果與分析

2.1 質量損失率

根據試驗中測試的試件質量數據，計算獲取不同試驗方案、不同凍融循環次數的質量損失率，結果如表2所示。為了直觀呈現質量損失率的變化規律，以試驗數據為依據，繪制出質量損失率隨凍融循環次數的變化規律，如圖1所示。從試驗結果可以看出，各方案試件的質量損失率隨著凍融循環次數的增加，呈現出先小幅減小后不斷增大的變化特點。在凍融循環25次時各方案試件的質量均有小幅增加，原因是在凍融循環初期，試件內部會產生一些微裂隙并吸水，同時在微裂隙中產生一些水化物沉積，而混凝土試件表面剝落較為有限，因此試件的質量表現為小幅增加。之后，隨著試件表面剝落情況逐漸趨于嚴重，試件質量不斷下降，且下降的速率也不斷加快。從不同試驗方案的對比來看，單摻聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅方案的質量損失率均小于普通混凝土方案，說明兩者均具有提高混凝土抗凍性的作用。相對而言，摻加聚乙烯醇纖維方案的效果更佳，原因可能是摻加聚乙烯醇纖維方案更有利于控制混凝土表面和內部的微裂隙，減少凍融循環下混凝土試件表面剝落。4種試驗方案對比，復摻方案的優勢最為明顯，100次凍融循環試驗后的質量損失率最小，原因是復摻方案可以充分發揮兩種材料的抗凍作用，因此抗凍性能更佳。

圖1 質量損失率變化曲線

表2 各方案質量損失率試驗結果 %

2.2 相對動彈模量

根據試驗中測試的試件質量數據，計算獲取不同試驗方案、不同凍融循環次數的動彈模量，結果如表3所示。為了直觀呈現動彈模量的變化規律，以試驗數據為依據，繪制出動彈模量隨凍融循環次數的變化規律，如圖2所示。從試驗結果可以看出，隨著凍融循環次數的增加各方案的相對動彈模量均呈現出不斷減小的變化趨勢，且減小的速率不斷加快。從不同試驗方案的橫向對比來看，在凍融循環次數相同的情況下，單摻聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅方案的相對動彈模量均大于普通混凝土方案，說明兩者均具有提高混凝土抗凍性的作用。相對而言，摻加聚乙烯醇纖維方案的效果更佳。4種試驗方案中，相對動彈模量最大的是復摻方案，說明復摻方案更有利于提高凍融循環作用下混凝土的相對動彈模量。

圖2 相對動彈模量變化曲線

表3 各方案相對動彈模量試驗結果 %

2.3 抗壓強度

根據試驗中測試的試件抗壓強度數據，計算獲取不同試驗方案、不同凍融循環次數的抗壓強度，結果如表4所示。為了直觀呈現抗壓強度的變化規律，研究中計算獲取不同凍融循環次數下的抗壓強度損失率，其變化曲線如圖3所示。從試驗結果可以看出，復摻聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅方案的初始抗壓強度值最大，其次是單摻聚乙烯醇纖維方案，再次是單摻納米二氧化硅方案，普通混凝土方案的初始抗壓強度值最小。究其原因，主要是在混凝土摻入聚乙烯醇纖維或納米二氧化硅能夠有效提升混凝土的整體性和密實度，可以提升混凝土的初始抗壓強度。另一方面，隨著凍融循環次數的增加，抗壓強度損失率呈現出不斷增大的變化趨勢。相對而言，復摻方案的抗壓強度損失率增加最慢，其次是單摻聚乙烯醇方案，再次是單摻納米二氧化硅方案，普通混凝土方案的抗壓強度損失率增加幅度最大。由此可見，復摻方案的初始抗壓強度最大，且抗壓強度損失率最小，具有顯著的優勢。

圖3 抗壓強度損失率變化曲線

表4 抗壓強度試驗結果 MPa

3 結 語

在寒區水利工程建設中，混凝土結構的抗凍融性能十分重要，是影響工程質量和耐久性的重要因素。此次研究利用室內試驗的方式，探討了聚乙烯醇纖維-納米二氧化硅水工混凝土抗凍性能。試驗結果顯示，在水工混凝土中同時摻入聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅與單摻二氧化硅或聚乙烯纖維方案相比，可以有效降低凍融循環條件下的質量損失率，提高其相對動彈模量和抗壓強度，具有良好的抗凍性。研究結論可以為理論研究和工程實踐提供有益的支持和借鑒。當然，此次研究僅針對單一摻量水平展開，在今后的研究中應該針對聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅的不同摻量水平組合展開試驗，以獲得最佳摻量水平組合，為工程設計建設提供更有利的支持。