复掺聚乙烯醇纤维和纳米二氧化硅对水工混凝土耐久性的影响

陈作汀

(福建弘源工程管理有限公司，福建 龙岩 364000)

1 材料与方法

1.1 试验材料

此次试验研究使用的是P·O42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料为粒径范围5～20 mm的连续级配人工石灰岩碎石；细骨料为机制砂，细度模数为2.65；试验用水为普通自来水；减水剂为聚羧酸高效减水剂。

试验用聚乙烯醇纤维为徐州永泰化工科技有限公司生产，主要技术指标如下：长度12 mm，直径15 μm，断裂伸长率6.9%，抗压强度1830 MPa，弹性模量40 GPa，密度1.29 g/cm3。

试验用纳米二氧化硅为天津新科科技有限公司生产，其主要技术指标如下：粒径20 nm，体积密度0.06 g/cm3，比表面积240 m2/g，纯度为99.85%。

1.2 试验方案

研究中以水工建设中常用的C40混凝土为基准进行配合比设计，混凝土目标抗压强度为 40.0 MPa，试配抗压强度为48.2 MPa，坍落度为 80～120 mm，较大粒度为 20 mm。其中，聚乙烯醇纤维和纳米二氧化硅的掺量参考相关单掺试验的研究成果确定[1]。此次试验仅以对比试验的方式探讨复掺方案对水工混凝土抗冻性的影响，不考虑聚乙烯醇纤维和纳米二氧化硅不同掺量水平配比可能对试验结果的影响。其中，聚乙烯醇纤维的掺加量以体积分数0.1%确定，纳米二氧化硅的掺量以质量分数1.0%替代等量水泥材料，试验方案设计和材料用量如表1所示。

表1 不同试验方案配合比设计

1.3 试验方法

此次试验按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2020)的相关要求，采用的是100 mm×100 mm×400 mm的长方体试件。在混凝土材料制作过程中，首先按照配合比方案设计称量好各种试验材料，并将粗骨料、细骨料和水泥倒入搅拌机搅拌1 min。对于普通混凝土，加入水搅拌60 s；对于单掺聚乙烯醇纤维方案，则加入聚乙烯醇纤维搅拌60 s，再加入水搅拌60 s；对于单掺纳米二氧化硅方案，则加入纳米二氧化硅和水的混合液并搅拌120 s；对于复掺方案，则加入聚乙烯醇纤维搅拌60 s，再加入纳米二氧化硅和水的混合液并搅拌120 s。将制作完成的混凝土材料迅速倒入试模成型，在脱模编号后放入标准养护室养护至28 d龄期备用。

水工建筑物在水、温度、地震等诸多环境因素的影响下，其内部应力场也会不断发生变化，这种循环往复的疲劳应力会引起水工混凝土的力学性能劣化和疲劳损伤。因此，抗疲劳性能是衡量水工混凝土耐久性的重要指标。此次试验研究中使用电液伺服动静试验机进行疲劳加载试验，试验中每进行5000次加载试验测量一次动弹模量，并用其反映混凝土内部结构的疲劳损伤情况。

试件的冻融试验采用NELD-BFC 型快速冻融试验机进行快冻试验。试验中冻结温度设定在-18 ℃，融化温度设定在8 ℃。冻结时间为2.0 h，融化时间为1.5 h，一次冻融循环为3.5 h，共进行100次冻融循环。试验开始前以及第25次、50次、75次以及100次冻融试验结束后，分别测量试件的质量和抗压强度并做好记录。试验结束后，通过对试验数据的整理和对比分析，对不同方案试件的抗冻性进行比较和评价。

在沿海和内陆盐渍区的水利工程，氯盐侵蚀也是影响混凝土结构耐久性的重要因素[2]。基于此，此次研究中以氯离子迁移系数作为抗氯盐侵蚀评价指标[3]。在试验过程中，将试块全浸泡于3.5%NaCl溶液中，测试浸泡30 d、60 d、90 d、120 d时的氯离子含量，并计算扩散系数。

2 试验结果与分析

2.1 抗疲劳性

根据抗疲劳试验中获得的数据，计算获取不同试验方案、不同疲劳试验次数的水工混凝土试件的相对动弹模量，结果如表2所示。从试验结果可以看出，随着疲劳试验次数的增加，水工混凝土试件的相对动弹模量呈现出先迅速减小后小幅下降的变化趋势。另一方面，在试验次数相同的情况下，普通混凝土相对动弹模量值最小，其次是单掺二氧化硅方案，再次是单掺聚乙烯醇纤维方案，而复掺方案的相对动弹模量值最大。由此可见，复掺方案混凝土的抗疲劳性能的要优于单掺方案，而单掺方案要优于普通混凝土方案。总之，在水工混凝土中复掺聚乙烯醇纤维和纳米二氧化硅可以有效提升其抗疲劳性能，对提高水工混凝土结构的耐久性和工程服役年限有利。

表2 各方案抗疲劳性能试验结果

2.2 抗冻性

根据抗冻性试验中测试的试件质量数据，计算获取不同试验方案、不同冻融循环次数的质量损失率，结果如表3所示。从试验结果可以看出，各方案试件的质量损失率随着冻融循环次数的增加，呈现出先小幅减小后不断增大的变化特点。从不同试验方案的对比来看，单掺聚乙烯醇纤维和纳米二氧化硅方案的质量损失率均小于普通混凝土方案，说明两者均具有提高混凝土抗冻性的作用。相对而言，掺加聚乙烯醇纤维方案的效果更佳，原因可能是掺加聚乙烯醇纤维方案更有利于控制混凝土表面和内部的微裂隙，减少冻融循环下混凝土试件表面剥落。4种试验方案对比，复掺方案的优势最为明显，100次冻融循环试验后的质量损失率最小，原因是复掺方案可以充分发挥两种材料的抗冻作用，因此，抗冻性能更佳。

表3 各方案质量损失率试验结果 %

根据抗冻性试验中测试的试件抗压强度数据，计算获取不同试验方案、不同冻融循环次数的抗压强度，结果如表4所示。从试验结果可以看出，复掺聚乙烯醇纤维和纳米二氧化硅方案的初始抗压强度值最大，其次是单掺聚丙烯醇纤维方案，再次是单掺纳米二氧化硅方案，普通混凝土方案的初始抗压强度值最小。究其原因，主要是在混凝土掺入聚丙烯醇纤维或纳米二氧化硅能够有效提升混凝土的整体性和密实度，可以提升混凝土的初始抗压强度。另一方面，随着冻融循环次数的增加，抗压强度损失率呈现出不断增大的变化趋势。相对而言，混掺方案的抗压强度损失率增加最慢，其次是单掺聚丙烯醇方案，再次是单掺纳米二氧化硅方案，普通混凝土方案的抗压强度损失率增加幅度最大。由此可见，复掺方案的初始抗压强度最大，且抗压强度损失率最小，具有显著的优势。

表4 抗压强度试验结果 MPa

2.3 抗氯离子侵蚀性能

对不同试验方案下水工混凝土的氯盐侵蚀后的氯离子迁移系数进行计算，获得不同方案、不同浸泡时间混凝土试件的氯离子迁移系数，结果如表5所示。由试验结果可以看出，各个试验方案混凝土在氯盐侵蚀后的氯离子迁移系数随着浸泡时间的增加呈现出不断增大的变化特点，且增大的速率也不断加快。从不同方案的试验结果来看，混掺方案的氯离子迁移系数值最小，其次是单掺聚丙烯醇方案，再次是单掺纳米二氧化硅方案，普通混凝土方案的氯离子迁移系数值最大。由此可见，复掺方案相对单掺方案和普通混凝土方案，在抗氯离子侵蚀方面优势显著，有助于提高沿海和内陆盐渍区水利工程混凝土结构的耐久性。

3 结 语

在寒区水利工程建设中，混凝土结构的抗冻融性能十分重要，是影响工程质量和耐久性的重要因素。此次研究利用室内试验的方式，探讨了复掺聚乙烯醇纤维和纳米二氧化硅对水工混凝土耐久性的影响。试验结果显示，在水工混凝土中同时掺入聚丙烯醇纤维和纳米二氧化硅方案下，4万次抗疲劳试验次数的相对动弹模量为81.46%；100次冻融循环次数下的质量损失率为1.664%，抗压强度为44.41 MPa；浸泡时间120 d的氯离子迁移系数为1.27×10-12m/s，上述指标均显著由于单掺方案，可以有效提升水利工程混凝土结构的耐久性，可以为理论研究和工程实践提供有益的支持和借鉴。当然，此次研究仅针对单一掺量水平展开，在今后的研究中应该针对聚丙烯醇纤维和纳米二氧化硅的不同掺量水平组合展开试验，以获得最佳掺量水平组合，为工程设计建设提供更有利的支持。