PVA-纳米SiO2,混杂纤维混凝土力学性能研究

陈 广， 孙 敏， 孔令康， 李振东

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011）

硅酸盐水泥混凝土材料易得，具有经济性、普适性、耐久性等优点，一直以来被广泛地应用于道路、桥梁、水坝、近海结构、地下工程等土木建筑领域，属于常见的建筑材料之一。

混凝土是由多孔多相的结构和物质组成，由于基体内部孔隙比大，导致混凝土材料较脆易折，内部微裂缝较多等问题。

这些问题的存在大大限制了混凝土的工程应用范围，在恶劣环境中常因耐久性不足过早地发生破坏，降低了结构的使用寿命，带来巨大的经济损失。

随着科技进步，各种纤维被合成并大规模生产，这些纤维由于自身优异的物理化学性质，在生活中被人们广泛使用[1]。

随着对混凝土材料研究的逐渐深入，人们开始尝试着将这些纤维扩大使用到混凝土中。

研究发现，往混凝土中添加合适的纤维能够定向提高混凝土某方面的性能。其中聚乙烯醇纤维（PVA）具有较高的弹性模量，并且亲水性能好，能均匀分散在水泥基材中，也与水泥基有很好的粘结性[2-5]。

目前工程应用中普遍使用的高性能混凝土，大多通过矿物外掺料和高效外加剂实现的，常用的矿物外掺料有粉煤灰、矿粉、硅灰及纳米SiO2。

研究人员发现，其中纳米SiO2具有更强的火山灰活性、晶核作用和微集料填充效应，因此赋予了纳米SiO2混凝土更好的强度、工作性和耐久性[6-11]。

对于混凝土基本力学性能和耐久性能的研究已不再局限于单一纤维对混凝土性能的提升，而是期望不同纤维材料之间取长补短、协同作用，将混凝土的性能再提升。

PVA 纤维属于细纤维，通过改变混凝土内部细观层面的结构提升混凝土性能。纳米SiO2则作用到混凝土微观层面，通过优化混凝土微观结构提高其性能。将两种不同尺度的纤维加入到混凝土中，研究在PVA 纤维（0.1%）和纳米SiO2不同掺量（0.5%、1.0%、1.5%）下的纤维混凝土的工作性能及力学性能，探寻混掺纤维的最优掺量。

1.1 原材料

水泥采用海螺牌P·O42.5 级水泥；
细骨料采用中砂级别的河砂；
粗骨料采用直径5~25 mm 连续级配的碎石；
试验用水采用实验室用普通自来水；
PVA 纤维采用日本可乐丽公司生产的KURALON K-II 型纤维，材料形态及参数见图1 所示与表1 所列；
纳米SiO2材料外观及参数见图2 与表2 所列。

图1 PVA 纤维

图2 纳米SiO2

表1 PVA 纤维性能参数

1.2 试件制备

为了更好地反应工程实际情况，本次试验制备了强度等级为C40 的混凝土，水胶比采用0.489，PVA 纤维的体积分数采用0.1%，纳米SiO2以0.5%、1.0%、1.5%的质量分数替代水泥，试验配合比见表3；
分别制作6 组尺寸为100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试件和100 mm×100 mm×400 mm 棱柱体试件， 每组3 个试件，分别对其进行抗压、抗折强度试验。

表3 不同类型纤维混凝土配合比

2.1 纤维混凝土拌合物的工作性能

图3 不同类型纤维混凝土的坍落度变化柱状图

图4 不同类型纤维混凝土的坍落度下降百分比

不同纤维混凝土的坍落度变化情况见图3 和图4。可以看出，加入纤维的混凝土试验组较对照组C 的坍落度值都产生不同程度的下降。

PVA、纳米SiO2混掺纤维混凝土试验组比单掺试验组的坍落度值普遍都小。对照组C 的坍落度的值为81.3 mm；
单掺的试验组中，PVA 纤维试验组P 的坍落度值为65.5 mm，较对照组C 下降了19.4%；
纳米SiO2试验组S 的坍落度值为70.5 mm，较对照组下降了13.3%。

SP 混掺试验组的坍落度值随着纳米SiO2纤维掺量的增大逐渐降低， 当纳米SiO2纤维掺量从0.5%增加到1.5%时， 坍落度值从54.0 mm 下降到30.3 mm，与对照组C 相比，最终下降幅度达到了62.7%。

PVA 纤维的加入，使混凝土拌合物流动性下降的因素可能有以下几个方面：一部分水泥浆体需要去包裹添加进去的PVA 纤维，这样起到润滑作用浆体相对含量就相应地减少；
PVA 纤维本身的材料特性（化学分子构成中存在羟基），使得PVA 纤维亲水性较好，因此PVA 纤维表面会吸附相当数量的自由水[12]；
纤维拌合物中呈现乱向分布，形成类似于不规则的网状结构，很大程度上增大浆体流动阻力。

这些潜在因素的综合作用，导致了纤维混凝土拌合物流动性不同程度地下降。

纳米SiO2的尺寸级别是纳米级，单位颗粒的粒径极小，与水泥混合后比表面积增大，纳米SiO2掺量越大，则与水泥混合后的比表面积也越大。

混凝土拌合物中的水泥浆体中存在填充水和吸附水，填充水存在于众多微孔中且对拌合物的流动性影响不大。

吸附水存在于胶凝材料表面，从而形成一层水膜，水膜的厚度对拌合物的流动性的影响很大[13]。表层吸附水的含量和胶凝材料体系的比表面积密切相关，吸附水含量随比表面积的增加而增加。

纳米SiO2的粒径很小，故能很好地填充到水泥砂浆的微孔隙中，降低填充水的需求，但随着纳米掺量的增加，比表面增加的同时对吸附水的需求也增加[14]。

一方面一定程度上降低填充水需求，另一方面增加吸附水需求，当表层吸附水的需求量大于降低的填充水的量时，拌合物的流动性就会减小。

卢中远等人的相关研究指出，纳米SiO2掺量仅有0.01%时，水泥净浆的流动性得到提高[15]，这也印证了上文中提到的纳米材料可以填充孔隙，降低填充水的需求。

2.2 抗压强度

从图5 中可以发现不同类型的纤维混凝土试验组的破坏形态有所差别，对照组C（素混凝土）在发生破坏时表面存在贯穿裂缝，属于脆性破坏；
单掺PVA 纤维的试验组P 在破坏时能清晰地听到纤维断裂拔出的声音，试件表面存在交织的裂缝；
其他试件破坏类型与对照组C 类似，但破坏时发出的声音明显更“脆”。

图5 不同类型纤维混凝土破坏形态图

从图6、图7 可以看出，掺有纤维的试验组均比对照组C 的抗压强度要高。

单掺0.1%PVA 纤维试验组P的抗压强度为49.45 MPa，较对照组C 提高了5.56%，原因是PVA 掺入后，较均匀分散在混凝土基体中形成了立体的空间骨架结构。

当混凝土受到持续增加的外力作用时，基体内部的薄弱界面先破坏，此时产生微裂缝，这时基体承受的力传给纤维，纤维开始承受大部分的作用力，产生较大的拉伸变形，裂缝也继续开展延伸，直至纤维被拉断拔出，此时试件彻底失去承载力，试件被破坏；
单掺1.0%纳米SiO2试验组S 的抗压强度为49.81 MPa，较对照组提高了6.31%。

纳米SiO2的加入使得混凝土基体内部的微孔隙得到填充，密实度得到提高，混凝土不同相之间的薄弱界面得到加强。

图6 不同类型纤维混凝土抗压强度变化柱状图

图7 不同类型纤维混凝土抗压强度提升百分比变化柱状图

混掺试验组SP 整体上均比单掺试验组P 和S 在抗压强度上提升效果更好。SP1、SP2、SP3 试验组的抗压强度数据值分别为50.66、52.12、50.22 MPa，较对照组C 分别提高了8.13%、11.26%、7.19%，其中SP2 试验组中纤维掺量对抗压强度的提升效果更佳。PVA 和纳米SiO2同时加入后，由于这两种纤维的材料尺度不同，因此在基体内部不同的空间尺度上协同作用，对抗压强度的提升分别起到不一样的作用。

PVA 纤维在基体内形成空间骨架，延缓裂缝开展，利用自身材料强度去提升基体的抗压强度；
纳米SiO2的尺寸效应在基体内可以填充一部分微孔隙，提高混凝土密实度。

纳米SiO2还拥有着活性极强的火山灰特性，加快水泥水化反应，反应生成更多的钙矾石（AFt）、硅酸钙凝胶（C-S-H），这些物质能够不断的填充孔隙和内部的原有微裂缝，使得结构更加的密实，提高基体的抗压强度。

混掺试验组的抗压性能并没有随着纳米SiO2掺量的提高而一直提高。

过量的纳米SiO2，导致水泥浆体内部材料颗粒的整体比表面积大幅增加，材料需要的表层吸附水增加，但材料拌合的用水量并没有增加，因此基体内的水是相对减少的。水的减少，纳米SiO2参与Ca（OH）2二次水化反应所需的水也相对不足，因此化学反应速率降低。

钙矾石（AFt）晶体转化量和硅酸凝胶（C-S-H）生成量均减少，机体内部的微孔隙不能得到有效的填充，薄弱界面不能得到有效强化改善，微孔隙和裂缝的比例上升，基体密实度下降，抗压强度下降。纳米SiO2材料的分散性问题也需要注意，掺量持续增大，基体内部的团聚现象也愈发明显，纳米材料本身会形成相对薄弱界面，降低抗压强度。

2.3 抗折强度

从图8 可以看出，试件的破坏裂缝均出现在合理范围内，与对照组C 和单掺纳米SiO2混凝土S 试验组的加载过程中试验现象几乎一样，在加载到破坏荷载之前几乎观察不到任何现象，达到破坏时发出沉闷的声响，可以看到较大裂缝，混凝土直接断裂，是很明显的脆性破坏。对掺有PVA 纤维的混凝土进行加载时，在接近开裂荷载时，裂缝在试件中间的底部出现，随着荷载继续增加，裂缝向上延伸，在达到破坏荷载时，听见纤维被扯断和拔出的撕裂声，最终的裂缝宽度也较小，试件未完全断裂。掺有PVA 纤维的试验组表现出来的延性较其他试验组都更好一点，由于PVA 纤维的掺量并不大，对基体延性的提高不是很明显，裂缝都是只有跨中一条，并未出现多条裂缝。

图8 各类型纤维混凝土抗折破坏形态

从图9、图10 可以看出，单掺试验组P 和S 的抗折强度比对照组要高，说明PVA 和纳米SiO2的加入，纤维材料自身特性发挥了正作用，提升了抗折强度。

加入0.1%PVA 试验组P 和1.0%纳米SiO2试验组S 的抗折强度分别为4.23、4.37 MPa，抗折强度提升百分比分别为4.76%、8.16%。

试验组P 加入PVA 纤维后，PVA 纤维在基体中形成均匀的立体交错的空间骨架结构，水泥浆体充斥其中被PVA 形成的骨架所包裹。

试件受力后，底部边缘开始受拉，外力持续增大，底部边缘内部微裂缝开始出现，纤维开始参与受力。

临近破坏荷载时，裂缝延伸变宽，PVA 纤维材料达到自身强度极限和粘结强度极限，纤维被拔断或者拔出，试件被破坏。

在此过程中，纤维参与受力的过程就是提高抗折强度的过程；
试验组S加入纳米SiO2后，从物理作用方面看纳米SiO2可以有效填充基体中的微孔隙，增加了密实度；
从化学角度看，纳米SiO2可以参与Ca（OH）2二次水化反应生成硅酸凝胶（C-S-H），硅酸凝胶可以填充附近的孔隙并且可以强化多相间的薄弱界面，提高薄弱界面的强度。

这两方面作用都可以提高基体的抗折强度。

从图9、图10 也能看出，混掺试验组SP 整体抗折强度比单掺试验组P 和S 及对照组C 都要更高。

混掺试验组SP1、SP2、SP3 抗折强度值分别为4.46、4.71、4.61 MPa，抗折强度提升百分比分别为10.33%、16.54%、14.04%，其中SP2 试验组的纤维掺量对于提高抗折强度的效果更突出。

固定0.1%PVA 掺量，随着纳米SiO2掺量的增加，抗折强度曲线出现下降拐点。

PVA 和纳米SiO2 在不同层面协同作用，均发挥自己的正作用，显现出了混杂纤维的正混杂效应。随着纳米SiO2掺量的持续增加，纳米材料特性逐渐显现出负作用。基体内部水相对减少、化学反应速度降低、C-S-H 凝胶含量减少、薄弱界面得不到加强，这些方面加强效果越来越差。掺量持续增大，对于纳米SiO2材料的分散性问题也可能出现，基体内部的团聚现象也会愈发明显，纳米材料本身会形成相对薄弱界面，降低了抗折强度。

图9 不同类型纤维混凝土抗折强度变化柱状图

图10 不同类型纤维混凝土抗折强度提升百分比变化柱状图

本文主要围绕纤维混凝土试验进行了一些研究，包括纤维混凝土的工作性能、在PVA 纤维（0.1%）和纳米SiO2不同掺量（0.5%、1.0%、1.5%）下的纤维混凝土的抗压、抗折强度试验，从这几方面的研究中可以得出以下结论：

（1）PVA 和纳米SiO2纤维的加入均能不同程度地降低混凝土的工作性能。

试验组P、S、SP1、SP2、SP3 较对照组C 分别下降了19.4%、13.3%、33.6%、46.2%、62.7%。

（2）PVA 纤维通过在基体内形成交错分布的立体空间骨架，参与基体受力，发挥自身材料物理强度特性，延缓裂缝出现和伸展，延长破坏时间，提高抗压、抗折强度。

纳米SiO2通过填充微孔隙和与Ca（OH）2二次水化反应生成C-S-H 强化薄弱界面并填充附近孔隙，提高基体宏观力学性能。

（3）单掺试验组P、S 抗压强度分别提升5.56%、6.31%，抗折强度分别提升4.76%、8.16%。

混掺试验组SP1、SP2、SP3 抗压强度分别提升8.13%、11.26%、7.19%，抗折强度分别提升10.33%、16.64%、14.04%，其中较优试验组为SP2，即0.1%PVA 和1.0%纳米SiO2混掺对混凝土抗压、抗折强度提升最大。