陳 廣， 孫 敏， 孔令康， 李振東

（蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011）

硅酸鹽水泥混凝土材料易得，具有經(jīng)濟性、普適性、耐久性等優(yōu)點，一直以來被廣泛地應用于道路、橋梁、水壩、近海結構、地下工程等土木建筑領域，屬于常見的建筑材料之一。 混凝土是由多孔多相的結構和物質(zhì)組成，由于基體內(nèi)部孔隙比大，導致混凝土材料較脆易折，內(nèi)部微裂縫較多等問題。 這些問題的存在大大限制了混凝土的工程應用范圍，在惡劣環(huán)境中常因耐久性不足過早地發(fā)生破壞，降低了結構的使用壽命，帶來巨大的經(jīng)濟損失。 隨著科技進步，各種纖維被合成并大規(guī)模生產(chǎn)，這些纖維由于自身優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，在生活中被人們廣泛使用[1]。

隨著對混凝土材料研究的逐漸深入，人們開始嘗試著將這些纖維擴大使用到混凝土中。 研究發(fā)現(xiàn)，往混凝土中添加合適的纖維能夠定向提高混凝土某方面的性能。其中聚乙烯醇纖維（PVA）具有較高的彈性模量，并且親水性能好，能均勻分散在水泥基材中，也與水泥基有很好的粘結性[2-5]。 目前工程應用中普遍使用的高性能混凝土，大多通過礦物外摻料和高效外加劑實現(xiàn)的，常用的礦物外摻料有粉煤灰、礦粉、硅灰及納米SiO2。 研究人員發(fā)現(xiàn)，其中納米SiO2具有更強的火山灰活性、晶核作用和微集料填充效應，因此賦予了納米SiO2混凝土更好的強度、工作性和耐久性[6-11]。 對于混凝土基本力學性能和耐久性能的研究已不再局限于單一纖維對混凝土性能的提升，而是期望不同纖維材料之間取長補短、協(xié)同作用，將混凝土的性能再提升。

PVA 纖維屬于細纖維，通過改變混凝土內(nèi)部細觀層面的結構提升混凝土性能。納米SiO2則作用到混凝土微觀層面，通過優(yōu)化混凝土微觀結構提高其性能。將兩種不同尺度的纖維加入到混凝土中，研究在PVA 纖維（0.1%）和納米SiO2不同摻量（0.5%、1.0%、1.5%）下的纖維混凝土的工作性能及力學性能，探尋混摻纖維的最優(yōu)摻量。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥采用海螺牌P·O42.5 級水泥；細骨料采用中砂級別的河砂；粗骨料采用直徑5~25 mm 連續(xù)級配的碎石；試驗用水采用實驗室用普通自來水；PVA 纖維采用日本可樂麗公司生產(chǎn)的KURALON K-II 型纖維，材料形態(tài)及參數(shù)見圖1 所示與表1 所列；納米SiO2材料外觀及參數(shù)見圖2 與表2 所列。

圖1 PVA 纖維

圖2 納米SiO2

表1 PVA 纖維性能參數(shù)

1.2 試件制備

為了更好地反應工程實際情況，本次試驗制備了強度等級為C40 的混凝土，水膠比采用0.489，PVA 纖維的體積分數(shù)采用0.1%，納米SiO2以0.5%、1.0%、1.5%的質(zhì)量分數(shù)替代水泥，試驗配合比見表3；分別制作6 組尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件和100 mm×100 mm×400 mm 棱柱體試件， 每組3 個試件，分別對其進行抗壓、抗折強度試驗。

表3 不同類型纖維混凝土配合比

2 試驗結果與分析

2.1 纖維混凝土拌合物的工作性能

圖3 不同類型纖維混凝土的坍落度變化柱狀圖

圖4 不同類型纖維混凝土的坍落度下降百分比

不同纖維混凝土的坍落度變化情況見圖3 和圖4?？梢钥闯?，加入纖維的混凝土試驗組較對照組C 的坍落度值都產(chǎn)生不同程度的下降。 PVA、納米SiO2混摻纖維混凝土試驗組比單摻試驗組的坍落度值普遍都小。對照組C 的坍落度的值為81.3 mm；單摻的試驗組中，PVA 纖維試驗組P 的坍落度值為65.5 mm，較對照組C 下降了19.4%；納米SiO2試驗組S 的坍落度值為70.5 mm，較對照組下降了13.3%。 SP 混摻試驗組的坍落度值隨著納米SiO2纖維摻量的增大逐漸降低， 當納米SiO2纖維摻量從0.5%增加到1.5%時， 坍落度值從54.0 mm 下降到30.3 mm，與對照組C 相比，最終下降幅度達到了62.7%。

PVA 纖維的加入，使混凝土拌合物流動性下降的因素可能有以下幾個方面：一部分水泥漿體需要去包裹添加進去的PVA 纖維，這樣起到潤滑作用漿體相對含量就相應地減少；PVA 纖維本身的材料特性（化學分子構成中存在羥基），使得PVA 纖維親水性較好，因此PVA 纖維表面會吸附相當數(shù)量的自由水[12]；纖維拌合物中呈現(xiàn)亂向分布，形成類似于不規(guī)則的網(wǎng)狀結構，很大程度上增大漿體流動阻力。 這些潛在因素的綜合作用，導致了纖維混凝土拌合物流動性不同程度地下降。

納米SiO2的尺寸級別是納米級，單位顆粒的粒徑極小，與水泥混合后比表面積增大，納米SiO2摻量越大，則與水泥混合后的比表面積也越大。 混凝土拌合物中的水泥漿體中存在填充水和吸附水，填充水存在于眾多微孔中且對拌合物的流動性影響不大。 吸附水存在于膠凝材料表面，從而形成一層水膜，水膜的厚度對拌合物的流動性的影響很大[13]。表層吸附水的含量和膠凝材料體系的比表面積密切相關，吸附水含量隨比表面積的增加而增加。 納米SiO2的粒徑很小，故能很好地填充到水泥砂漿的微孔隙中，降低填充水的需求，但隨著納米摻量的增加，比表面增加的同時對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，當表層吸附水的需求量大于降低的填充水的量時，拌合物的流動性就會減小。 盧中遠等人的相關研究指出，納米SiO2摻量僅有0.01%時，水泥凈漿的流動性得到提高[15]，這也印證了上文中提到的納米材料可以填充孔隙，降低填充水的需求。

2.2 抗壓強度

從圖5 中可以發(fā)現(xiàn)不同類型的纖維混凝土試驗組的破壞形態(tài)有所差別，對照組C（素混凝土）在發(fā)生破壞時表面存在貫穿裂縫，屬于脆性破壞；單摻PVA 纖維的試驗組P 在破壞時能清晰地聽到纖維斷裂拔出的聲音，試件表面存在交織的裂縫；其他試件破壞類型與對照組C 類似，但破壞時發(fā)出的聲音明顯更“脆”。

圖5 不同類型纖維混凝土破壞形態(tài)圖

從圖6、圖7 可以看出，摻有纖維的試驗組均比對照組C 的抗壓強度要高。 單摻0.1%PVA 纖維試驗組P的抗壓強度為49.45 MPa，較對照組C 提高了5.56%，原因是PVA 摻入后，較均勻分散在混凝土基體中形成了立體的空間骨架結構。 當混凝土受到持續(xù)增加的外力作用時，基體內(nèi)部的薄弱界面先破壞，此時產(chǎn)生微裂縫，這時基體承受的力傳給纖維，纖維開始承受大部分的作用力，產(chǎn)生較大的拉伸變形，裂縫也繼續(xù)開展延伸，直至纖維被拉斷拔出，此時試件徹底失去承載力，試件被破壞；單摻1.0%納米SiO2試驗組S 的抗壓強度為49.81 MPa，較對照組提高了6.31%。 納米SiO2的加入使得混凝土基體內(nèi)部的微孔隙得到填充，密實度得到提高，混凝土不同相之間的薄弱界面得到加強。

圖6 不同類型纖維混凝土抗壓強度變化柱狀圖

圖7 不同類型纖維混凝土抗壓強度提升百分比變化柱狀圖

混摻試驗組SP 整體上均比單摻試驗組P 和S 在抗壓強度上提升效果更好。SP1、SP2、SP3 試驗組的抗壓強度數(shù)據(jù)值分別為50.66、52.12、50.22 MPa，較對照組C 分別提高了8.13%、11.26%、7.19%，其中SP2 試驗組中纖維摻量對抗壓強度的提升效果更佳。PVA 和納米SiO2同時加入后，由于這兩種纖維的材料尺度不同，因此在基體內(nèi)部不同的空間尺度上協(xié)同作用，對抗壓強度的提升分別起到不一樣的作用。

PVA 纖維在基體內(nèi)形成空間骨架，延緩裂縫開展，利用自身材料強度去提升基體的抗壓強度；納米SiO2的尺寸效應在基體內(nèi)可以填充一部分微孔隙，提高混凝土密實度。 納米SiO2還擁有著活性極強的火山灰特性，加快水泥水化反應，反應生成更多的鈣礬石（AFt）、硅酸鈣凝膠（C-S-H），這些物質(zhì)能夠不斷的填充孔隙和內(nèi)部的原有微裂縫，使得結構更加的密實，提高基體的抗壓強度。

混摻試驗組的抗壓性能并沒有隨著納米SiO2摻量的提高而一直提高。 過量的納米SiO2，導致水泥漿體內(nèi)部材料顆粒的整體比表面積大幅增加，材料需要的表層吸附水增加，但材料拌合的用水量并沒有增加，因此基體內(nèi)的水是相對減少的。水的減少，納米SiO2參與Ca（OH）2二次水化反應所需的水也相對不足，因此化學反應速率降低。 鈣礬石（AFt）晶體轉(zhuǎn)化量和硅酸凝膠（C-S-H）生成量均減少，機體內(nèi)部的微孔隙不能得到有效的填充，薄弱界面不能得到有效強化改善，微孔隙和裂縫的比例上升，基體密實度下降，抗壓強度下降。納米SiO2材料的分散性問題也需要注意，摻量持續(xù)增大，基體內(nèi)部的團聚現(xiàn)象也愈發(fā)明顯，納米材料本身會形成相對薄弱界面，降低抗壓強度。

2.3 抗折強度

從圖8 可以看出，試件的破壞裂縫均出現(xiàn)在合理范圍內(nèi)，與對照組C 和單摻納米SiO2混凝土S 試驗組的加載過程中試驗現(xiàn)象幾乎一樣，在加載到破壞荷載之前幾乎觀察不到任何現(xiàn)象，達到破壞時發(fā)出沉悶的聲響，可以看到較大裂縫，混凝土直接斷裂，是很明顯的脆性破壞。對摻有PVA 纖維的混凝土進行加載時，在接近開裂荷載時，裂縫在試件中間的底部出現(xiàn)，隨著荷載繼續(xù)增加，裂縫向上延伸，在達到破壞荷載時，聽見纖維被扯斷和拔出的撕裂聲，最終的裂縫寬度也較小，試件未完全斷裂。摻有PVA 纖維的試驗組表現(xiàn)出來的延性較其他試驗組都更好一點，由于PVA 纖維的摻量并不大，對基體延性的提高不是很明顯，裂縫都是只有跨中一條，并未出現(xiàn)多條裂縫。

圖8 各類型纖維混凝土抗折破壞形態(tài)

從圖9、圖10 可以看出，單摻試驗組P 和S 的抗折強度比對照組要高，說明PVA 和納米SiO2的加入，纖維材料自身特性發(fā)揮了正作用，提升了抗折強度。 加入0.1%PVA 試驗組P 和1.0%納米SiO2試驗組S 的抗折強度分別為4.23、4.37 MPa，抗折強度提升百分比分別為4.76%、8.16%。

試驗組P 加入PVA 纖維后，PVA 纖維在基體中形成均勻的立體交錯的空間骨架結構，水泥漿體充斥其中被PVA 形成的骨架所包裹。 試件受力后，底部邊緣開始受拉，外力持續(xù)增大，底部邊緣內(nèi)部微裂縫開始出現(xiàn)，纖維開始參與受力。 臨近破壞荷載時，裂縫延伸變寬，PVA 纖維材料達到自身強度極限和粘結強度極限，纖維被拔斷或者拔出，試件被破壞。 在此過程中，纖維參與受力的過程就是提高抗折強度的過程；試驗組S加入納米SiO2后，從物理作用方面看納米SiO2可以有效填充基體中的微孔隙，增加了密實度；從化學角度看，納米SiO2可以參與Ca（OH）2二次水化反應生成硅酸凝膠（C-S-H），硅酸凝膠可以填充附近的孔隙并且可以強化多相間的薄弱界面，提高薄弱界面的強度。 這兩方面作用都可以提高基體的抗折強度。

從圖9、圖10 也能看出，混摻試驗組SP 整體抗折強度比單摻試驗組P 和S 及對照組C 都要更高。 混摻試驗組SP1、SP2、SP3 抗折強度值分別為4.46、4.71、4.61 MPa，抗折強度提升百分比分別為10.33%、16.54%、14.04%，其中SP2 試驗組的纖維摻量對于提高抗折強度的效果更突出。 固定0.1%PVA 摻量，隨著納米SiO2摻量的增加，抗折強度曲線出現(xiàn)下降拐點。 PVA 和納米SiO2 在不同層面協(xié)同作用，均發(fā)揮自己的正作用，顯現(xiàn)出了混雜纖維的正混雜效應。隨著納米SiO2摻量的持續(xù)增加，納米材料特性逐漸顯現(xiàn)出負作用?；w內(nèi)部水相對減少、化學反應速度降低、C-S-H 凝膠含量減少、薄弱界面得不到加強，這些方面加強效果越來越差。摻量持續(xù)增大，對于納米SiO2材料的分散性問題也可能出現(xiàn)，基體內(nèi)部的團聚現(xiàn)象也會愈發(fā)明顯，納米材料本身會形成相對薄弱界面，降低了抗折強度。

圖9 不同類型纖維混凝土抗折強度變化柱狀圖

圖10 不同類型纖維混凝土抗折強度提升百分比變化柱狀圖

3 結論

本文主要圍繞纖維混凝土試驗進行了一些研究，包括纖維混凝土的工作性能、在PVA 纖維（0.1%）和納米SiO2不同摻量（0.5%、1.0%、1.5%）下的纖維混凝土的抗壓、抗折強度試驗，從這幾方面的研究中可以得出以下結論：

（1）PVA 和納米SiO2纖維的加入均能不同程度地降低混凝土的工作性能。 試驗組P、S、SP1、SP2、SP3 較對照組C 分別下降了19.4%、13.3%、33.6%、46.2%、62.7%。

（2）PVA 纖維通過在基體內(nèi)形成交錯分布的立體空間骨架，參與基體受力，發(fā)揮自身材料物理強度特性，延緩裂縫出現(xiàn)和伸展，延長破壞時間，提高抗壓、抗折強度。 納米SiO2通過填充微孔隙和與Ca（OH）2二次水化反應生成C-S-H 強化薄弱界面并填充附近孔隙，提高基體宏觀力學性能。

（3）單摻試驗組P、S 抗壓強度分別提升5.56%、6.31%，抗折強度分別提升4.76%、8.16%。 混摻試驗組SP1、SP2、SP3 抗壓強度分別提升8.13%、11.26%、7.19%，抗折強度分別提升10.33%、16.64%、14.04%，其中較優(yōu)試驗組為SP2，即0.1%PVA 和1.0%納米SiO2混摻對混凝土抗壓、抗折強度提升最大。