纳米SiO2和聚丙烯纤维水泥混凝土强度研究

何东坡 史 贺

(东北林业大学土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

水泥混凝土路面存在抗弯拉强度不足、刚性过大和脆性过高等缺点，在车辆行车荷载作用下，很容易遭到损坏，给道路的正常运营造成重大的损失，因而限制了在部分公路中的应用[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、新工艺提升路面混凝土性能、拓展水泥混凝土路面应用领域具有重要意义。

近年来，纳米技术和纳米材料正在成为工程行业的关键角色，添加各种材料来改善水泥混凝土性能的研究较为广泛[2]。Nili[3]和Genady Shakhmenko等[4]研究发现纳米SiO2对水泥基后期强度提高作用不大，但能显著增强水泥基的早期强度。Sivasankaran U等[5]研究了纳米SiO2如何改善粉煤灰混凝土整体强度性能，结果表明添加1%的纳米SiO2和25%的粉煤灰混凝土压缩强度增加，极限拉伸强度增加了28%。

聚丙烯纤维对混凝土可以减小混凝土内部的细微裂纹和由于早期收缩裂缝产生的应力集中，因此学者们对聚丙烯纤维展开了大量研究。Makita等[6]通过静载试验和落锤试验发现聚丙烯纤维混凝土的抗冲击性能及残余延性能够得到明显地增强。Piroti等[7]研究了水灰比对聚丙烯纤维增强的纳米SiO2混凝土的机械性能的影响，结果表明，随着水灰比从0.50降至0.30，混凝土的机械性能均得到改善，使用聚丙烯纤维,混凝土28 d的拉伸强度、弯曲强度和耐磨性分别提高了22%，40%和27%。单景松等[8]研究表明纤维的掺量及长度变化对透水混凝土各性能的影响不同，可根据实际受力状态和功能要求综合确定纤维参数，建议纤维长度范围取12 mm～18 mm、掺量取1.0 kg/m3～1.5 kg/m3。

水泥混凝土微观层面上的物理和化学反应时刻进行，目前，国内外学者对水泥混凝土基体及基体—集料界面过渡区的结构和成分展开了大量研究。刘新等[9]通过研究提出将改善C-S-H本身力学性能的技术扩展应用到水泥基材料是提升混凝土结构材料力学性能的关键。欧阳利军等[10]归纳了影响混凝土界面过渡区特性的因素，如微观硬度、氢氧化钙晶向指数和孔隙分布状态等，指出了混凝土在界面过渡区微观特性方面要探究的方向。

本研究尝试通过力学性能试验探究纳米二氧化硅和聚丙烯纤维水泥混凝土的最佳掺量，并从微观结构的角度分析纳米二氧化硅和聚丙烯纤维对混凝土的强度改善机理，以期通过改善混凝土路面的不足，扩展水泥混凝土路面的应用领域。

1 实验

1.1 试验材料

试验采用P.O42.5级硅酸盐水泥；砂为天然砂砾，细度模数为3.0；水为自来水；天然粗骨料为粒径范围于4.75 mm～16 mm间的碎石；纳米二氧化硅选用的型号为TSP-H10，具体的特征参数见表1；聚丙烯纤维物理性能指标见表2。

表1 纳米二氧化硅特征参数

表2 聚丙烯纤维物理性能指标

1.2 试验配合比

本试验设计强度C30，依据JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程规定，由计算得水胶比为0.59的配合比为基础配合比，试验基本配合比如表3所示。纳米二氧化硅以水泥质量分数的0%,0.5%,1.0%,1.5%内掺代替水泥；聚丙烯纤维以水泥体积分数的0%,0.1%,0.15%,0.2%外掺代替水泥，试验共设计16组配合比，共计144个试块。

表3 试验基本配合比

1.3 试验方法

由于纳米二氧化硅直接拌入混凝土中会由于分散不均匀而影响混凝土性能，根据张茂花[11]对纳米二氧化硅掺入混凝土方式的研究，本试验水泥混凝土拌合顺序为：砂+碎石+水泥→分两次加入聚丙烯纤维→加入纳米二氧化硅和水的混合液。制备试件后，放置在标准养生室内养护至28 d龄期，按照试件编号，根据JTG E30公路工程水泥及水泥混凝土试验规程进行水泥混凝土立方体抗压强度试验、立方体劈裂抗拉试验以及水泥混凝土抗弯拉强度试验。

2 结果与分析

使用万能压力机测出相关强度数据并进行计算，结果绘制见图1～图3。

由图1可知，抗压强度随聚丙烯纤维的增加先增大后减小，纤维掺量为0.1%时抗压强度最大，此时单掺聚丙烯纤维的试件抗压强度提高了3.9%，纤维掺量为0.1%的试件在纳米二氧化硅掺量为0.5%，1.0%，1.5%时抗压强度增长率分别为3.9%，1.2%，5.4%。当纤维掺量达到0.15%时，单掺纤维试件的抗压强度与未掺加纤维试件相比下降了17.9%，而纤维掺量为0.2%时下降率甚至达到了23.5%。说明聚丙烯纤维掺入过多时，会因为分散不均匀而影响混凝土的结构，导致混凝土密实度下降，抗压强度随之下降。

纵向观察图1可知，抗压强度随纳米SiO2掺量增加而持续增大，抗压强度在纳米SiO2掺加1.5%时最大，此时单掺纳米SiO2试件提高了10.1%。在聚丙烯纤维掺量为0.1%,0.15%,0.2%时，纳米SiO2掺量为1.5%的试件与未掺加纳米SiO2的试件相比增长率分别为11.7%,23.1%,20.5%。

当聚丙烯纤维掺量为0.1%、纳米二氧化硅掺量为1.5%时试件抗压强度最大，与未掺试件相比可提高16.0%。试验结果可以看出低掺量聚丙烯纤维可以提高混凝土的抗压强度，但提高幅度不大，所以聚丙烯纤维的掺加不能明显增强抗压强度，但掺加纳米SiO2可以显著增强混凝土抗压强度。

由图2可知，混凝土劈裂抗拉强度随聚丙烯掺量增加先增大然后持续减小。聚丙烯纤维掺量为0.1%时混凝土劈裂抗拉强度最大，此时单掺聚丙烯纤维的试件劈裂抗拉强度提高了40%。在纳米二氧化硅掺量为0.0%，0.5%，1.0%，1.5%时，纤维掺量为0.15%和0.2%的试件，与纤维掺量为0.1%的试件相比劈裂抗拉强度降低率分别为12.2%，9.7%，6.9%，11.4%和29.5%，16.7%，16.6%，17.1%，与未掺纤维试件相比劈裂抗拉强度确有增长。

纵向观察图2可知，纳米SiO2达到混凝土质量分数的1.0%时劈裂抗拉强度最大，此时单掺纳米SiO2试件的劈裂抗拉强度提高了11.5%。在纤维掺量为0.1%，0.15%，0.2%时，纳米SiO2掺量为1.0%的试件与未掺加纳米SiO2试件相比劈裂抗拉强度增长率分别为3.4%，9.6%，11.6%。纳米SiO2掺量为1.5%时混凝土的劈裂抗拉强度虽然低于纳米SiO2掺量为1.0%的试件，却仍高于未掺纳米SiO2试件的劈裂抗拉强度。

聚丙烯纤维掺量为0.1%、纳米二氧化硅掺量为1.0%时混凝土劈裂抗拉强度最大，与双未掺试件相比增加了44.8%。聚丙烯纤维掺入量超过体积分数的0.1%，纳米二氧化硅掺量超过质量分数的1.0%时劈裂抗拉强度均开始降低。因此，纳米SiO2的加入对提高混凝土的劈裂抗拉强度是有效的，但改善效果不如聚丙烯纤维。

由图3可知，混凝土抗折强度随聚丙烯掺量的增加先增大后减小，在掺加0.1%的聚丙烯纤维时最大，此时单掺聚丙烯纤维的试件抗折强度提高了36.5%。在相同的纳米二氧化硅掺量下，纤维掺量为0.1%的试件与未掺加纤维的试件相比抗折强度均有大幅度增长，纳米二氧化硅掺量为0.5%，1.0%，1.5%时抗折强度增长率分别为35.5%，33.3%，32.7%。而纤维掺量为0.15%和0.2%的试件，在纳米二氧化硅掺量为0%，0.5%，1.0%，1.5%时与纤维掺量为0.1%的试件相比抗折强度有不同程度的下降，但仍高于未掺纤维试件的抗折强度。

纵向观察图3可知，纳米SiO2掺量达到混凝土质量分数的1.0%时抗折强度最大，此时单掺纳米SiO2的试件抗折强度提高了9.6%。在纤维掺量为0.1%，0.15%，0.2%时，纳米SiO2掺量为1.0%的试件与未掺加纳米SiO2的试件相比抗折强度增长率分别为7.0%，9.2%，12.3%。当纳米SiO2掺量为1.5%时混凝土的抗折强度虽然低于纳米SiO2掺量为1.0%的试件，但抗折强度仍然高于未掺加纳米SiO2的试件。

当聚丙烯纤维掺量为0.1%、纳米二氧化硅掺量为1.0%时混凝土抗折强度最大，与未掺试件相比增加了46.2%。可以看出，纳米SiO2和聚丙烯纤维的加入可以提高混凝土的抗折强度。聚丙烯纤维掺入量超过0.1%，纳米二氧化硅掺量超过1.0%时抗折强度均开始降低。

综合以上分析结果，聚丙烯纤维掺量为0.1%、纳米二氧化硅掺量为1.0%时，混凝土劈裂抗拉和抗折强度最大，虽然0.1%聚丙烯纤维和1.5%纳米二氧化硅掺量的试件抗压强度最大，但0.1%聚丙烯纤维和1.0%纳米二氧化硅掺量的试件的抗压强度与未掺试件相比提高了10.9%，由于混凝土抗弯拉强度不足为限制其应用的主要因素，选用0.1%聚丙烯纤维和1.0%纳米二氧化硅掺量为混凝土抗折强度下的最佳掺量。

3 微观分析

选取养护龄期28 d，一定掺量的纳米二氧化硅和聚丙烯纤维所对应的混凝土试件，对其进行喷金加工得到需要的试样，然后对试样进行扫描电子显微镜(SEM)试验，研究其不同掺量在微观层面上对相应混凝土结构的作用情况。

3.1 聚丙烯纤维对混凝土影响的微观分析

不亲水的聚丙烯纤维与水泥基材界面的水灰比一般来说都比水泥基材料自身高，导致聚丙烯纤维—水泥基材界面强度较弱[12]。因此，聚丙烯纤维对硬化混凝土性能的影响是不容忽视的。

由图4a)和图4b)可以看出，聚丙烯纤维由于受力拉伸，外观呈扁平状，且纤维表面有明显开裂、脱皮等摩擦痕迹。根据纤维阻裂效应，聚丙烯纤维在混凝土硬化后阻挡混凝土自收缩，降低微裂缝尖端的应力集中，减少微裂缝的同时会拉伸变形并产生摩擦。而在试件受力破坏产生裂缝时，聚丙烯纤维受到试件开裂产生的拉应力影响，裂缝前端与纤维相交，导致纤维承受部分应力，自身拉伸变形。宏观上可以体现为聚丙烯纤维的掺入，显著地提高了混凝土的劈裂抗拉、抗折强度。

3.2 纳米二氧化硅对混凝土影响的微观分析

纳米二氧化硅特有的小尺寸效应和表面效应，参与混凝土的水化反应并放热促进反应进一步进行，从而提高混凝土的强度，因此，对纳米二氧化硅微观结构如何影响混凝土的强度进行分析。

不同纳米二氧化硅掺量下，混凝土微观结构有很大的区别。未掺加纳米二氧化硅试样如图5a)所示，可以看到较多形状不规则的宏观孔，a处为还未完全成形的水化硅酸钙凝胶，b处为大块六角棱形Ca(OH)2晶体，因此，未掺加纳米二氧化硅的水泥水化反应进行缓慢，宏观上体现为强度提升缓慢。1.0%纳米二氧化硅试样如图5b)所示，试样表面整体均匀密实，C-S-H凝胶和针状棱柱形的钙矾石晶体明显增多，表面存在的少量Ca(OH)2晶体也被C-S-H凝胶包围，这样密实的结构在宏观上体现为混凝土的抗压、劈裂抗拉和抗折强度均有大幅度提高。1.5%纳米二氧化硅试样如图5c)所示，左侧区域水化进程相对缓慢，右侧区域由于掺入过多的纳米二氧化硅，部分未参与反应的纳米二氧化硅聚集成团，在水泥基材料中分散不均匀。因此，宏观上纳米二氧化硅掺量达到1.5%时，混凝土的劈裂抗拉和抗折强度有所降低，而抗压强度也增长缓慢。

3.3 纳米二氧化硅和聚丙烯纤维对混凝土微观结构的共同作用

在水泥混凝土中掺入适量纳米二氧化硅和聚丙烯纤维后，由于纳米二氧化硅的小颗粒可以填充在更细小的毛细孔隙中，有效地弥补聚丙烯纤维掺入过多时造成的缺陷，使聚丙烯与水泥基材料黏结紧密，提高水泥基材料的密实度。并且由于纳米二氧化硅的比表面能很高[13]，能快速地与Ca(OH)2反应，促进水泥的水化反应，生成更多有利于混凝土强度提高的水化产物。当混凝土受到荷载时，适量聚丙烯纤维在混凝土内部均匀乱向分布所构成的骨架结构会和纳米二氧化硅共同作用，聚丙烯纤维发生变形消耗部分能量的同时，二者共同发挥作用延缓裂缝尺寸的发展。因此适量纳米二氧化硅和聚丙烯纤维的加入有利于混凝土各项强度的提升。

4 结语

通过对不同掺量纳米二氧化硅和聚丙烯纤维水泥混凝土力学性能试验的结果的研究及微观结构的分析，可以得出以下结论：

1)纳米二氧化硅和聚丙烯纤维掺入可以有效提升混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度，纳米二氧化硅对混凝土的抗压强度的提升起更大的作用，聚丙烯纤维对混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度的提升效果则更显著。

2)聚丙烯纤维掺量为0.1%、纳米二氧化硅掺量为1.5%时混凝土抗压强度最大，与未掺试件相比可提高16.0%，聚丙烯纤维掺量为0.1%、纳米二氧化硅掺量为1.0%时混凝土劈裂抗拉强度和抗折强度均最大，与未掺试件相比分别增加了44.8%和 46.2%。

3)由微观试验结果分析可以得知，同纳米二氧化硅掺量下，掺入0.1%聚丙烯纤维的混凝土由于纤维的阻裂效应，劈裂抗拉强度和抗折强度远高于未掺纤维的混凝土。

4)由微观试验结果分析可知，同聚丙烯纤维掺量下，掺入1.0%纳米二氧化硅能够促进水化反应进行，并且物理填充混凝土孔隙，从而大幅度地增强混凝土的抗压强度，并能够在一定程度上增强劈裂抗拉强度和抗折强度。

5)在微观结构下双掺纳米二氧化硅和聚丙烯纤维，共同形成起一定支撑作用的骨架结构，同时填充内部结构的孔隙及裂缝，使混凝土结构更加致密。