补偿收缩纳米SiO2钢纤维混凝土抗冲击性能试验与分析.pdf

2 0 1 3年第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C 0NCRE T E AN D C E ME NT P RODUC 2 0 1 3 No 1 J a n u a r y 补偿收缩纳米 S iO 2 钢纤维混凝土 抗冲击性能试验与分析 崔 云 ， 马芹永 ( 安徽理工大学土木建筑学院， 淮南 2 3 2 0 0 1 ) 摘要 ： 通过 正交试验研 究单掺 纳米 S i O ： 、 单掺钢 纤维 以及 双掺 纳米 S i O： 与钢 纤维对补偿 收缩混凝 土抗 冲击 韧性的影响 。 根据 美国 A CI 5 4 4委 员会推荐 的试验 方法， 采用 自行设计 的 自由落锤 冲击试验装 置。 研 究表 明， 单掺钢 纤维会明显增强补偿收缩混凝土的抗冲击韧性 ， 双掺 纳米 S i O 和钢 纤维后 ， 抗冲击韧性增强效果更佳。与未掺 蚋米 S i O2 相 比， 钢纤维掺 量为 0 8 、 1 2 、 1 6 时， 抗冲击能量差最大分 别可提 高 3 1 9 、 2 4 5 和 3 3 7 ， 钢 纤维掺量 不超 过 1 2 时 ， 纳米 S i o2 的最佳掺 量是 0 6 。 关键词 ： 纳米 S i O2 ； 钢 纤维； 抗冲击韧性 ； 正交试验 Ab s t r a c t ：T h r o u g h o r t h o g o n a l e x p e ri me n t ，t h e i mp a c t t o u g h n e s s o f the s h rin k a g e c o mp e n s a t i n g c o n c r e t e b y a d d i n g n a n o me t e r S i O2 ， s t e e l fi b e r a n d a d d i n g n a n o me t e r S i O2 a n d s t e e l fi b e r a t t h e s a n l e t i me i s s t u d i e d Ac c o r d i n g t o the Un i t e d S t a t e s AC I 5 4 4 c o mmi t t e e r e c o mme n d e d t e s t me t h o d s ，t h e s e l f - d e s i g n e d f r e e f a l l i n g h a mme r i mp a c t t e s t d e v i c e i s u s e d T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w tha t a d d i n g s t e e l fi b e r wi l l s i g n i fi c a n t l y e n h a n c e t h e i mp a c t t o u g h n e s s of s h ri n k a g e c o mp e n s a t i n g c o n c r e t e ， d o u b l e d o p e d n a n o me t e r S i o 2 a n d s t e e l fi b e r ， t h e e n h a n c e me n t e ff e c t w i l l b e b e t t e r C o m p a r e d t o n o a d d i n g n a n o me t e r S i O2 wh e n t h e s t e e l fi b e r v o l u me r a t e i s 0 8 ，1 2 a n d 1 6 ，t h e i mp a c t r e s i s t a n c e e n e r g y d i ff e ren c e b e t we e n f a i l u r e a n d i n i t i a l c r a c k w i l l rea c h 3 1 9 2 4 5 a n d 3 3 7 a t l a r g e s t Wh e n t l l e s t e e l fi b e r v o l u me r a t e i s n o mo r e t h an 1 2 ， the o p t i mu m a mo u n t of n ano me mr S i 0 2 i s 0 6 Ke y wo r d s ：N a n o me t e r S i O2 ； S t e e l fi b e r ； I mp a c t t o u g h n e s s ；O r t h o g o n a l e x p e ri me n t 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 01 3 ) 0 1 0 7 0 4 0前 言 混凝土的优点非常多 ， 例 如取材容易 、 抗 压强 度高 、 易于成型 、 施工方便 ， 但混凝土同样存在许多 缺 陷， 如抗拉强度低 、 韧性差 、 容易开裂等 ， 这些缺 点 降低 了混凝 土结 构的承载能力 ，缩短了使 用寿 命 ， 成为各种灾难事故 的隐患。特别是混凝土 的抗 冲击性能差 ， 在 冲击荷载作用下混凝土容易发生脆 性断裂和脱落 。不计其数的道路、 桥梁深受其害 ， 如 何增强混凝 土的抗 冲击韧性成为专 家学者研究 的 热点。 在混凝土 中掺人乱 向分布 的短切 钢纤维可 以 阻碍混凝土 内部裂缝 的发展 和阻滞宏 观裂缝 的发 生和扩展 ， 并在混凝土开裂以后 ， 在钢纤维的拉伸 、 伸展、 拔出的过程中吸收巨大的能量【 。因此 ， 钢纤 维可以明显改善混凝土的抗拉强度 、 抗冲击韧性 以 及抗疲劳性能。 基金项 目： 住 房和城 乡建设 部 2 0 1 2年科学 技术项 目( 2 0 1 2 一 K4 2) 。 近几年来 ， 纳米材料 的研究不断深入 3 4， 研究 表明 ，纳米材料 的加入可 以改善混凝土界面结构 。 因此 ，本文提出在掺加膨胀剂和钢纤维的同时 ， 加 入纳米 S i O 。纳米 S i O 2 不仅可以显著提高钢纤维与 混凝土基体 的粘结 ， 同时离子 团聚合度低 ， 导致其 具有高火 山灰活性 ， 使得混凝 土具有很高的早期强 度 ； 另外 ， 它还具有 良好的密实填充效应。 国内外对钢纤维混凝土在抗 冲击 性能方面 已 开展了大量 的研究 ， 但对 同时掺人钢纤维和纳米 级微观材料 提高混凝 土在动荷载作用下的抗 冲击 性能研究还未见报道。本课题组进行了大量补偿 收 缩混凝 土的研究 1 - 2 ， 故本文通过在补偿收缩混凝土 中掺入钢纤维和纳米 S i O ： 进行 2 8 d圆饼抗 冲击试 验研究 ， 试验方法参照文献圈 。 1 试验方案 1 1 原材料 水 泥采用安徽淮南某公 司生产的 P 0 4 2 5级 普通硅 酸盐水泥 ； 砂采用 中砂 ； 水为 自来水 ； 石子为 粒径 5 1 0 m m的碎石 ； 钢纤维采用剪切端钩型钢纤 一7一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 崔 云 ， 马芹永 补偿收缩纳米 S i O 钢纤维混凝 土抗冲击性能试验与分析 表 2 初裂及破坏抗 冲击 次数 ( N) 注 ：试件 编号 中 ， S对应 纳米 S i O ： ， G对应 钢纤 维 ， S G a b c d 中 ， a b表示纳米 S i O 掺量 ， c d表示 钢纤 维体积掺量 。 3 2 0 2 8 0 Z 羹 柑 垂。2 00 1 6 0 1 2 O 00 0 4 0 8 1 2 1 6 钢纤维体积率， 图 4 钢纤维体积率与抗冲击次数 的关系 O O 0 4 O 8 1 - 2 1 6 钢纤维体积率， 图 5 钢纤维体积率与能量差 的关 系 加 ， 补偿收缩钢纤维混凝 土在初裂后 吸收冲击能量 的能 力也 随之 增强 。 2 2 补偿收缩纳米 S i O 钢纤维混凝土 2 2 1 初裂抗冲击次数 补偿收缩纳米 S i O ： 钢纤 维混凝 土初裂抗 冲击 次数如图 6所示。从图中可以看出，掺入纳米 S i O 后 ， 补偿收缩钢纤维混凝土呈现出先上升后下降的 整体趋势 。 +钢纤维掺量 O +钢纤维掺量 0 8 量 1 2 量 1 6 U U U 6 1 2 1 8 纳米 S i O 2 掺 量， 图 6 纳米 S i O ： 和钢纤维掺量与初裂抗 冲击次数 的关 系 单掺纳米 S i O ： ， 其掺量为 0 6 时 ， 初裂抗冲击 次数达到最大 ， 比不掺时增加了 3 3 6 ， 继续增大掺 量 ， 初裂抗冲击次数明显减小 ； 掺量为 1 8 时， 相对 于不掺时减小 了 7 1 3 。 掺入钢纤维后 ， 钢纤维掺量 为 0 8 和 1 2 的混凝 土 ，均在 纳米 S i O z 掺量 为 0 6 时达到初裂次数 的峰值 ， 相对于不掺纳米 S i O ： 时可分别提高 6 2 8 和 7 0 。 钢纤维掺量为 1 6 的 补偿 收缩混凝土 ，在纳米 S i O ： 掺量为 1 2 时达到 最大值 ， 相对于不掺纳米 S i O 2 时可提高 5 7 4 。 2 2 2 破坏抗 冲击次数 补偿收缩纳米 S i O 钢纤 维混凝 土破坏抗冲击 次数如 图 7所示 。从 图 7中可以看 出， 破坏抗冲击 次数与初裂抗 冲击次数 图形相似 ， 也是先经历一个 上升 阶段后出现下降或者趋于平缓 ， 且其 峰值点与 初裂抗冲击相似。双掺钢纤维与纳米 S i O 后 ， 钢纤 维体积掺量为 0 8 、 1 2 、 1 6 时 ， 相对于未掺 S i O 2 的 ， 最大可分别提高 5 8 0 、 3 4 6 、 5 2 5 。 2 2 3 破坏与初裂的抗 冲击能量之差变化规律 双掺纳米 S i O ： 和钢纤维后其破坏与初裂抗 冲 击能量差如图 8所示 。 从 图 8中可 以看 出， 只掺加 纳米 S i O ： 时 ， 不 同 掺量下 ， 能量差表现近乎直线 ， 说 明单独加入纳米 S i O ： 时，其掺量的多少对试块的抗冲击能量差影响 几乎可 以忽略 ；同时加入纳米 S i O 和钢纤维之后 ， 除个别点外 ， 其能量差均有显著提高 ， 且其变化 曲 线呈弧形 ， 说 明加入纳米 S i O 后 ， 能增强钢纤维与 一 9 一 沁 O 栅 瑚 姗 拗 抛 啪 m o 苣籁 相量 咖 啪 蜘 瑚 o “ 8 6 4 2 f 蛔 毋 i匿 屦 柩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 l 期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 1 期 5 0 0 z 4 0 0 3 0 0 相 量 2 0 0 褡 1 0 O 0 一钢纤维掺量 0 一钢纤维掺量 0 8 06 1 2 1 8 纳米 S i O 掺量 掺量 1 2 掺量 1 6 纳米 S i O 和钢纤维 掺量 与破 坏扰 冲击 次数 的关 系 掺量 O 掺量 0 8 掺量 1 2 掺量 1 6 o o o 6 1 2 1 8 纳米 S i O 掺量， 图 8纳米 S i O ： 和钢纤维掺量与能量差之间 的关系 混凝土基体之间的粘结强度 ， 提高两者之间的粘结 力 ， 直接影响 了钢纤维对混凝 土基 体增强 、 增韧作 用 的发挥 ； 双掺纳米 S i O z 和钢纤维后 ， 相 比于不掺 纳米 S i O 的， 钢纤维掺量为 0 8 、 1 2 、 1 6 时 ， 能 量差最大分别可提高 3 1 9 、 2 4 5 和 3 3 7 。 从图 8中可 以观察到 ， 随着钢纤维体积掺量 的 不断增大 ， 破坏抗冲击次数与初裂抗 冲击次数之差 越来越大 ， 说 明钢纤维在初裂之后承担 了大部分 的 冲击能量 ， 增强了混凝土的冲击韧性 。 3机理探 讨 在混凝土中引入纳米 S i O ，因其粒子尺寸达到 了纳米级 ， 故其具有很高的表面活性 ， 导致纳米 S i O ： 颗粒与水泥水化产物大量键合 ， 并 以纳米 S i O ： 为微 晶核 ， 吸收水 泥硬化浆体 中富集 的氢氧化钙 ， 在其 颗粒表面形成更多的 C S H凝胶。 这样在水泥硬化 浆体原有 网络结构的基 础上 又建立 了一个新 的网 络 ， 以纳米 S i O 为网络的结点 ， 形成三维网络结构 ， 从而可 以大大提高混凝土的密实度和强度 ， 促进钢 纤维与混凝土的粘结 ， 进而改善混凝土的韧性 。而 加入的钢纤维 ， 其作用 主要体现在初裂之后 ， 使 得 混凝 土试块达到裂而不断的效果 ， 在圆饼试件 内部 大量呈三维乱向分 布的钢纤维形成 了一个纵横 交 一 1 0一 错的网状结构 ， 从而延缓 了混凝土试件侧 向的拉伸 破坏 ， 在消耗 了一定 的冲击能之后 ， 最终绝大部分 钢纤维被拔出， 少数则被拉断。 4结 论 ( 1 ) 在一定 的掺量范 围内 ， 随着钢纤维体积 率 的增大 ，补偿收缩钢纤维混凝 土的抗 冲击韧性增 强 ， 钢纤维体积率为 1 6 时 ， 其初裂及破坏抗 冲击 次数分别为未掺钢纤维 时的 2 - 3和 2 8倍 ，破坏与 初裂能量差更是可以达到未掺时的 2 0 3倍。 ( 2 ) 在补偿收缩纳米 S i O ： 混凝土 中， 纳米 S i O 的最佳掺量是 0 6 。同时掺入钢纤维和纳米 S i O 后 ，其抗 冲击韧性增强效果更佳 。钢纤维掺量为 O 8 和 1 2 时， 纳米 S i O 2 的最佳掺量是 0 6 ； 钢纤 维掺量为 1 6 时 ， 纳米 S i O ： 的最佳掺量为 1 2 。 超 过最佳掺量后 ， 补偿收缩纳米 S i O ： 钢纤维混凝土的 各项抗冲击性能会出现显著下降。 ( 3 ) 从成本上考虑 ， 虽然纳米 S i O 的加入对混 凝土的强度有明显 的提高， 使其抗冲击性能得到明 显改善 ， 但纳米 S i O ： 的成本 目前还相对较高 ， 这就 限制了它在混凝土中的广泛应用 ， 需要不断深入研 究纳米材料的制备方 法 ， 减小制备成本 ， 使其在混 凝土中的应用更为广阔。 参 考 文 献 ： 【 1 崔朋 勃 膨胀剂 对喷射补 偿收缩 钢纤维混 凝土力学 性能 的影响I J 1 混凝土 与水 泥制 品， 2 O L O ( 5 ) ： 4 5 4 7 【 2 童俊豪， 马芹永 喷射 补偿收缩钢纤 维混凝土带模 与标准 养护抗压强度 对 比分析【 J 混凝土 与水 泥制品， 2 0 1 1 ( 9 ) ： 3 8 4 0 【 3 季韬， 黄与 舟， 郑作樵 纳米混凝 土物理力学性 能研究初 探 J 】 混凝土， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 1 3 1 4 4 陈荣升， 叶青 掺 纳米 S i O ： 与 掺硅粉 的水泥 硬化浆 体 的 性能比较 J 】 混凝土， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 7 - 1 0 5 王宝 民 纳米 S i O 高性 能混凝 土性能及机理研究 D 】 大 连： 大连理工大学， 2 0 0 9 f 6 6 焦楚杰， 孙伟 ， 高培正 钢纤维 混凝土抗 冲击 试验研究 J 中山大学学报， 2 0 0 5 ， 4 4 ( 6 ) ： 4 1 4 4 7 梁磊， 赵文， 李艺 增 强纤 维的加入对混凝土抗 冲击性 能的 影响 J 1 混凝土与水泥制品， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 4 J 4 4 6 8 】 童俊豪 喷射补偿 收缩钢纤 维混凝 土抗冲击 性能试 验研 究【 D 淮南： 安徽理工大 学， 2 0 1 2 收 稿 日期 ： 2 0 1 2 1 1 2 4 作者简介 ： 崔云 ( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 硕士研 究生。 通讯地址 ： 安徽省淮南市安 徽理工大学校本部一号 宿舍 楼 3 2 6室 联 系电话 ： 1 5 9 5 6 6 8 4 8 0 5 E -ma i I ： c u iy u n 9 8 8 1 2 6 c o m r吕 咖 鲫 姗 o l f 删 佰 是 挺 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m