掺纳米SiO2和PVA纤维的水工混凝土性能分析

钟 倩

(抚顺市水利勘测设计研究院有限公司，辽宁 抚顺 113006)

我国北方严寒地区的水工结构、桥梁以及道路等经常承受腐蚀与冻融循环的多重作用，这种工程结构的耐久性衰减速度远高于单一不利因素作用。其中，冻融循环会诱发或加速新裂缝的出现以及初始裂缝的扩展，对混凝土的使用年限和力学性能造成不利影响。随着科技的发展，各类纤维的生产规模与应用范围不断扩大[1]。研究表明，掺入纤维后能够明显提高素混凝土的耐久性、抗冲击性、韧性和强度，并有效改善砂浆塑性开裂性能。聚乙烯醇(PVA)纤维的亲水性能良好，弹性模量较高，可以在水泥基中均匀地分散，加之较好的黏结性能够明显改善混凝土耐久。研究发现，因具有较强的晶核、微集料填充和火山灰效应，尺度更小的纳米SiO2材料能够显著改善混凝土强度和耐久性。因此，文章结合纳米SiO2和PVA纤维的优点，探讨了冻融侵蚀条件下单掺和混掺两种材料的水工混凝土性能。

1 试验方案

1.1 原材料

试验选用浑河牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，粗骨料选用石粉含量可忽略不计的5～25mm连续级配碎石，细骨料选用经砂石生产系统破碎而成的人工中砂，拌合水为自来水，经检测各原材料性能指标均符合标准要求。聚乙烯醇(PVA)纤维为K-Ⅱ型，纳米SiO2和PVA纤维性能参数如表1。

表1 掺合料的性能参数

1.2 配合比设计

设计水胶比0.50，以质量分数0.6%、1.2%、1.8%的纳米SiO2的替代水泥，掺体积分数0.1%的PVA纤维，配制与工程实际相近的C40水工混凝土，试验配合比如表2所示。

表2 试验配合比

1.3 试验方法

1)试件制备。试验配制12组400mm×100mm×100mm棱柱体和24组100mm×100mm×100mm立方体共36组试件，每组试件3个。混凝土浇筑成型流程：①按设计配合比依次称量所需水泥、砂、石用量，并投入搅拌机预拌90s；②投入一半的PVA纤维搅拌30s，再投入剩余纤维搅拌30s，将一半的SiO2和水混合液投入搅拌60s，再投入剩余混合液搅拌120s，搅拌均匀后倒入试模，振捣成型；③室内静置24h后拆模并移入标养室养护28d待用。为了保证试件处于饱水状态，将养护至24d的试件取出并放入侵蚀溶液(其成分组成见表2)，浸泡4d后取出用于冻融循环试验。

表2 侵蚀溶液组成

2)试验方法。依据现行标准进行混凝土抗压强度试验和冻融试验，控制加载速率12kN/s，利用快冻法完成冻融试验。冻融循环时，控制试件中心温度为-15℃和5℃，一次冻融循环的完成试件为4h。试验前先擦干表面水分，测试各组初始质量、抗压强度和弹性模量，随后每冻融循环25次测定一次，棱柱体和立方体共冻融循环共100次、75次。

2 结果与分析

2.1 冻融破坏机理

各组试件经25次冻融循环后的混凝土表面剥落状况。结果表明：①J-0组和S-1.2组混凝土表面出现不均匀的小范围剥落，缺口边缘处较干净且剥落深度不大，表面整体平整。②P-0.1组混凝土表面的剥落深度不大且剥落范围小，整体分布不均匀，缺口处有纤维露出；部分砂浆处虽未剥落，但呈粉状松散状态，局部存在松软起皮的情况。③P0.1S1.2组混凝土表面出于蜂窝麻面形态，坑槽现象不明显。

试验表明，由于J-0组和S-1.2组试件未掺PVA纤维，经25次冻融循环混凝土表现出明显的脆性，受温度拉应力作用表面薄弱处逐渐剥落，剥落缺口整体较为干净；因P-0.1组和P0.1S1.2组试件掺入了PVA纤维，混凝土内部的网状结构在一定程度上发挥着约束作用，并承担了一定的拉应力，所以剥落程度较低。同时，混掺P0.1S1.2组的剥落程度小于单掺的P-0.1组，深入分析可知掺入的纳米SiO2有利于减少P0.1S1.2组试件的孔隙率和薄弱界面，所以混掺组未发现局部孔洞，但有少量水泥浆剥落，混凝土表面产生一定的点状麻面情况。冻融次数越多则破坏程度越大，各组混凝土表现出砂浆开始薄弱→部分粗细骨料外露的破坏过程。冻融循环结束后各组试件形态仍较为完整，从低到高其外观形态破坏程度排序为P0.1S1.2

配合比不同的混凝土界面过渡区、内部结构和孔隙数量不同，这就使得试件的冻融损伤程度和破坏形态具有一定差异。冻的过程中温度逐渐达到冰点以下，混凝土受冰的结晶作用而产生压力，基础混凝土因溶液迁移形成渗透压力和静水压力，从而破坏了内部孔壁；融的过程中温度逐渐达到冰点以上，冰晶体开始融化，混凝土内部的渗透压力、静水压力和洁净压力因溶液迁移速度的变慢而逐渐减弱。因此，冻融循环可以视为一个加压-卸压的过程，也是混凝土内部疲劳破坏、损伤积累的过程。

混凝土是一种由多相材料组合而成的混合材料，不同材料的热膨胀系数存在明显差异，温度变化时各种材料的膨胀量不一，从而引起附加应力。砂浆与粗骨料过渡区的黏结强度低于其它部位，受附加应力作用最先产生裂纹，这进一步加剧了混凝土内部损伤程度。溶液中的SO42-、Mg2+离子沿裂缝渗入混凝土内部，与水化产物Ca(OH)2反应生成钙矾石和石膏，这种膨胀性物质会引起基体内部拉应力。另外，C-S-H凝胶还可以与Mg2+离子反应生成镁盐类产物，这种产物黏聚性较低会破坏基体微观结构，增加混凝土内部的薄弱界面和劣化程度。

2.2 相对动弹性模量

经100次冻融循环后各组试件的相对动弹性模量变化，如图1所示。结果表明，各组试件的动弹性模量均随着冻融循环次数的增加不断减小，变化幅度也越来越大。具体而言，冻融循环达到100次时J-0组、P-0.1组试件的相对动弹性模量减小到51.28%和55.42%，达到试验终止条件；经25次冻融循环的相对动弹模量变化不大，但随冻融次数的增加逐渐表现出一定差距，冻融循环结束后单掺和混掺组均高于基准对照组的相对动弹性模量，其中S-1.2组、P0.1S0.6组、P0.1S1.2组、P0.1S1.8组的相对动弹性模量为61.05%、65.70%、71.24%、61.60%，故掺量最优组为P0.1S1.2组，即混凝土中混掺0.1%PVA和1.2%纳米SiO2时的抗冻性最好。

图1 相对动弹性模量变化曲线

2.3 质量变化规律

经100次冻融循环后各组试件的质量变化，如图2所示。结果表明，各组试件的质量并未随冻融循环次数的增大而不断减少，波动变化比较明显，这是因为冻融循环过程中会产生疲劳破坏，内部应力增大致使界面薄弱处最先发生开裂破坏，溶液渗入混凝土内部致使其饱水都提高，与前次冻融时的质量相比可能会有所增大。换而言之，当混凝土的剥落质量小于内部渗入的溶液质量，则混凝土整体质量不减反增。

图2 不同冻融循环次数的试件质量

由图2可知，各组混凝土试件均未达到“5%质量损失率”的试验终止条件，经100次冻融循环后混凝土残余质量相对值变化较小，各组之间的差别也不明显。深入分析可知，掺PVA纤维的P-0.1组、P0.1S0.6组、P0.1S1.2组、P0.1S1.8组混凝土基体中形成了网状包裹，对试件表面的开裂剥落产生一定程度的阻碍作用；同时，本试验设定的冻融循环次数较少，所以混凝土并未表现出明显的质量损失。

2.4 抗压强度剩余比

经75次冻融循环后各组试件的抗压强度剩余比，如图3所示。结果表明，冻融循环达到75次后J-0组混凝土抗压强度剩余比为56.27%，其它组均高于该组，冻融循环结束后P-0.1组和S-1.2阻的抗压强度剩余比依次为67.42%、63.50%，前者的抗冻性相对更优。掺纳米SiO2和PVA纤维有利于减少混凝土孔隙率，但纳米SiO2的分散性略低于PVA纤维，所以掺PVA纤维的混凝土抗冻性更优。冻融循环结束后P0.1S0.6组、P0.1S1.2组、P0.1S1.8组混凝土抗压强度剩余比依次为72.04%、76.30%、68.42%，其中P0.1S1.2组最高。因此，合适掺量情况下，混掺组混凝土的孔隙率较低，并且水化产物Ca(OH)2还能与纳米SiO2反应生成C-S-H凝胶，对改善混凝土微孔结构和抗冻性能具有积极作用。

图3 不同冻融循环次数的抗压强度剩余比

由图3可知，P0.1S1.8组混凝土抗压强度剩余比明显高于P-0.1组和S-1.2阻，这是由于掺量过大时纳米SiO2的分散性会变差，混凝土中过量的SiO2还会进一步组成薄弱界面，使得混掺负效应逐渐大于正效应，混凝土抗冻性变弱。综上分析，混掺P0.1S1.2组的混凝土抗冻性最优。

3 结 论

1)混凝土的破坏程度随着冻融循环次数的增加而加大，各组混凝土均呈砂浆逐渐剥落→部分粗细骨料外露的破坏过程；动弹性模量均随着冻融循环的持续逐渐减小，变化幅度也越来越大；各组试件的质量并未随冻融循环次数的增大而不断减少，波动变化比较明显，这是因为当混凝土的剥落质量小于内部渗入的溶液质量，则混凝土整体质量不减反增。

2)研究表明，水工混凝土中单掺纳米SiO2或PVA纤维均能在一定程度上改善其抗冻性，混掺时的改善效果更好，并且混掺1.2%纳米SiO2和0.1%PVA纤维的抗冻性能最优。