钢纤维纳米矿粉混凝土劈拉及抗折性能试验研究.pdf

2 0 1 4年第 1 1 期 1 1 月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 4 No 1 1 No v e mb e r 钢纤维纳米矿粉混凝土劈拉及抗折 性能试验研究 陈 刚 ， 邵 洛 ， 曹 川 。 ， 李 琛 ( 1 郑州大学 ， 4 5 0 0 0 2 ； 2 滨州恒达黄河水利工程维修养护有限公司， 2 5 6 6 1 8 ； 3 郑州航空港区航程航投置业有限公司， 4 5 0 0 0 0 ) 摘 要 ： 在 混 凝 土 中 同时 加 入 钢 纤 维 和 纳 米 矿 粉 ， 对 比研 究 了钢 纤 维和 纳 米矿 粉 掺 量 以及 基 体 强 度 对 钢 纤 维 纳 米混凝土劈拉性能和抗折性能的影响规律 。 结果表 明， 钢纤维的加入及增 大掺量 ， 改善 了试件 的破 坏特征 ， 劈拉和抗 折 强度均 显著增 长； 基体强度提 高的 同时， 拉 压强度 比和折压 强度比降低 ； 纳米 S i O 和 纳米 C a C O， 掺 量的增大 ， 可 小幅度提 高劈拉和抗折 强度 ， 但 脆性也相应提 高。钢纤维增 强增 韧作 用、 纳 米矿粉微填充及促进水化作 用共 同改善 了混 凝 土 的 力 学性 能 。 关键 词 ： 铜 纤 维 ； 纳 米 S i O ； 纳 米 Ca CO， ； 劈 拉 强 度 ； 抗 折 强度 Ab s t r a c t ：B o t h o f s t e e l fi b e r s a n d n a n o me t e r ma t e r i a l s a r e mi x e d i n t o c o n c r e t e ，t h e n t h e e f f e c t s o f mi x a mo u n t o f s t e e l f i b e r a n d n a n o me t e r ma t e r i a l s a s we l l a s ma t r i x s t r e n g t h o n s p l i t t i n g t e n s i l e a n d fl e x u r a l s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r n a no me t e r ma t e r i a l r e i nfor e e d c on c , r e t e a r e i n v e s t i g a t e d The e x p e r i me n t a l r e s ul t s s h o w t h at t he f ai l ur e c h a r a e t e r i s t i c s p l i t t i n g t e n s i l e a n d fl e x u r a l s t r e n g t h o f s p e c i me n s a r e i mp r o v e d s i g n i fi c a n t l y i n t h e c a s e o f mi x i n g w i t h s t e e l fi b e r a n d i n c r e a s i n g o f mi x a mo u n t o f s t e e l fi b e r ； wi t h t h e i n c r e a s i n g o f ma t ri x s t r e n g t h ， t h e t e n s i o n - c o mp r e s s i o n r a t i o a n d fl e x u r e c o mp r e s s i o n r a t i o d e c r e a s e d ；wi t h t h e i n c r e a s i n g o f mi x a mo u n t o f n a n o me t e r S i O2 a n d C a C O t h e s p l i t t i n g t e n s i l e ，fl e x u r a l s t r e n g t h b r i t t l e n e s s i n c r e a s e d t o a l i mi t e d e x t e n t T h e i mp r o v e d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s b e n e f i t e d f r o m t h e e ff e c t s o f r e i n f o r c i n g a n d t o u g h e n i n g f o r s t e e l fi b e r ， a n d t h e e f f e c t s o f fi l l i n g a n d p r o mo t i n g h y d r a t i o n for n a n o me t e r ma t e r i a l s Ke y wor ds ：S t e el fib e r ；Na no me t e r Si O2 ；Na no me t e r Ca CO3 ；Sp l i t t i n g t e ns i l e s t r e n g t h ；Fl e x ur a l s t r e n g t h 中图 分 类 号 ： TU5 2 8 5 7 2 文 献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 4) 1 1 一O 6 0 5 O前 言 纳米技 术 自 2 0世 纪诞生 以来得 到 了迅 速 发 展 ， 广泛 地应 用 于 生物 、 医学 、 化 工 以 及光 学 、 热 学 、 电磁学等物理相关领域 。纳米材料 因其尺寸极小 、 比表 面积 大 ，具备 了传统材料所 不具有 的尺寸效 应 、 表 面效应 、 宏 观量 子 隧道效 应 和界 面效应 l l 。纳 米材料的这种特殊性能 ， 在建筑领域 中也有着广阔 的应 用前 景 。研究 表 明4 1 ， 将 纳 米材 料引 入 到建筑 涂 料 中 ， 使 传 统涂 料 同时具 有 了紫外 线 吸 收 、 杀菌 、 耐 磨 的作用 。带有 火 山灰活 性 的纳米 矿粉 加入 到水 泥 砂浆 或混凝 土基体 中 ， 可提高水泥水化速度 ， 同时 填充 了基体 中所存在 的微小孔隙 ， 提高 了基体 的强 度和抗渗 、 抗侵蚀性能 。 然而 ，虽然纳米材料 提高了混凝土基体 的强 度 ， 但其增强效果 十分有 限 ， 且不能从根本上改变 普通混凝土性脆 、 韧度差 、 延伸率低等缺点。钢纤维 基 金 项 目： 国 家 自然 科 学 基 金 项 目( 5 l 1 7 8 4 3 4) 。 6 加入到混凝土 中是克服这些缺点的最有效办法 ， 但 钢 纤 维 加 入 到混 凝 土 中 的 同 时也 引 入 了微 观 上 的 缺 陷 1 ， 是 否 可 以利 用 纳 米 材 料 和 钢 纤 维 各 自的优 点共 同作用来改善混凝土的力学性能是本文试验 研究 的重 点 。 1 试 验设计 本 文试 验设计思 路是在混凝土 中同时加 入钢 纤 维 和 纳 米 矿 粉 ， 以钢 纤 维掺 量 、 纳 米 矿 粉 掺 量 和 基体强度为 主要参数来研究其对钢纤 维纳米混凝 土劈 拉性 能及 抗 折性 能 的影 响。 1 1 原 材料 采用强度等级为 4 2 5级的普通硅酸盐水泥 ； 粒 径 5 - 2 0 mm连续级配的石灰石碎石 ； 细度模数为 2 7 的天然中河砂 ； 贝卡尔特钢纤维 ， 特征参数见表 1 ； 纳 米 二 氧 化 硅 ( S i O ) 矿 粉 和 纳米 碳 酸 钙 ( C a C O ) 矿 粉 ， 各项物理指标 见表 2 ； 聚羧酸系高性能液态减水 剂 。 1 2 配合 比及参数设计 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 2 0 1 4年第 1 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 3期 钢纤维被挤压或拔出时发出的声音 ， 即使在较大变 形 的情况下 ， 结构仍 比较完整 ， 如图 1 ( b ) 所示 ， 且极 限荷载 后具 有不 同程 度 的残余 强度 。 图 2为钢纤维和纳米矿粉掺量与劈拉强度 的 关 系。由图 2可知 ， 钢纤维的加入可较大 幅度地提 高劈拉强度 ， 当钢纤 维掺量为 0 5 、 1 0 、 1 5 时 ， 对 应 试 块 的 劈 拉 强 度 增 强 比分 别 为 1 7 l 、 2 0 8 、 2 9 3 。 对 于掺 加 纳米矿 粉 的混凝 土来 说 ， 纳米 S i O 掺 量从 0 5 到 2 0 以及纳 米 C a C O 掺 量 从 1 到 3 0 的增加 ，试件 的劈拉强度都有一定程度的增 长 ，劈拉 强度增强 比分别在 1 0 1 0 9和 1 0 5 1 1 4 范 围内 ，相 比于钢纤维的增强效果来说影响很小。 另外从 图 2还可 以看出， 纳米 S i O 掺量在 0 5 时 ， 劈拉强度达到最大 ；而纳米 C a C O ， 随着掺量 的增 加 ， 劈拉强度单调增长。 纳米矿粉掺量， 00 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 OO O 5 1 O 钢纤维掺量 图 2钢 纤 维 及 纳 米 矿 粉 掺 量 与 劈 拉 强 度 的 关 系 从上述试 验现象 和劈拉 强度的规律性 分析可 以得 出：钢纤维解决 了普通混凝土抗拉强度低 、 延 性差 的问题 。钢纤 维掺 量是 影 响混凝 土劈 拉强 度 的 一 个主要因素 ， 掺量 的增加可得到劈拉强度的成倍 增 长 。 因此 ， 在 混凝 土 结 构 中 的受 拉 区域 加 入 一定 量的钢纤维可改善抗拉强度 。 2 2 劈拉 强 度与抗 压强 度 的关 系 钢纤维纳米混凝土劈拉强度 与抗压强度 的关 系用拉压强度 比表示 ， 即劈拉强度与抗压强度的 比 值 ， 试验所得 到的抗压强度结果与拉压强度 比见表 4 。C F 6 0钢纤维纳米混凝土的拉 压强 度 比较 C F 4 0 没有较大幅度的变化 ，直到基体强度接近 C F 8 0时 拉 压强度 比才 大幅降低 ， 如 图 3所示 ， 这说 明在钢 纤维掺量不变 的情况下 ， 对基体抗拉强度 的提高是 有限的，这也是 由混凝土本身的性质所决定 的， 基 体抗压强度 的增长并不会较 大程 度地改变抗 拉强 一 R 一 表 4劈拉强度与抗压强度 的关 系 0 1 2 O 1 O 鹱0 0 8 O O 6 O 1 4 O 1 2 0 1 0 警o 0 8 窘0 0 6 0 0 4 OO 2 0 O O CF 4 0 C F6 0 C F8 0 基体编号 图 3 基体强度与拉压强度 比的关系 纳米矿粉掺量 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 一 一一纤 维一 0 0 0 5 1 0 钢纤维掺量 图 4钢纤维及纳米矿粉掺量与拉压强度 比的关 系 度。但基体强度一定 的情况下 ， 随着钢纤维掺量的 增加 ， 拉压强度 比呈近似线性增长 ， 如图 4所示 ， 钢 纤维发挥了良好的主拉应力控制能力。 图 4同时给出了纳米矿粉 的掺 量与拉压强度 比的关 系 。从 图 4可 以看 出 ， 随着 纳 米 S i O 2 和 纳 米 C a C O 掺量的增加 ， 拉压强度 比呈总体下降 的趋势 ， 仅掺量分别在 0 5 和 1 时达到最大 ， 但变化甚微。 7 6 5 4 3 2 B d 善 黑 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 2 0 1 4年第 1 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 3期 压强度 比势必要降低。但随着钢纤维掺量的增加 ， 折压强度 比总体呈上升的趋势 ， 仅在钢纤维掺量 为 0 5 时有很小幅度地下降 ， 主拉应力控制能力起主 导作用 ， 如图 8所示。 另外 ， 从图 8还可以看 出， 随着纳米 S i O 和纳 米 C a C 0 3 掺量 的提高 ， 折压强度 比逐渐降低 ， 这 说 明两种纳米矿粉材料掺量在钢纤维混凝土 中的增 多 ， 对基体抗压强度的贡献略大于抗折强度 ， 即使 其脆性增大。 3机理 分析 由于钢纤维 自身抗拉强度 高、 锚固性能好等等 特点 ， 在混凝土受拉过程 中， 跨越裂缝两边 的钢纤 维与基体 间的粘结锚 固应力起到 了减小混凝 土裂 缝扩展与延伸 的作用 ， 以至于砂浆 、 骨料 与浆体 结 合面被破坏后仍可保持结构完整性且能够承受较 大的荷载。钢纤维掺量与力学性能的提高程度也不 无关 系 ， 钢纤维掺量越大 ， 跨越混凝 土裂缝 面的钢 纤维数量也就越多 ， 所形成的三维空间网状结构越 紧密 ， 共 同作用下钢纤维从基体拔 出时的耗能也就 越大 ， 阻裂与增强作用也就越明显 7 1 。因此 ， 在混凝 土中加入钢纤 维对力学性能的改善具有很大的帮 助作 用 。 纳米矿粉掺入到钢纤维混凝土中， 以其极小的 粒径 优势细化 了砂 、 骨料 、 钢纤维与浆体界面及浆 体本身 的微小孔隙 ， 这样一方面提高 了基体密实程 度 ， 间接增加 了基体 强度 ， 另一方面改善 了界面过 渡区 ，进一步增强 了钢纤维与基体问的粘结性能。 除此之外 ， 纳米 S i O 所具有 的火山灰活性使其易与 浆体中的 C a ( O H) z 发生火 山灰反应 ， 减少 C a ( O H ) z 的 同时促进了 C S H凝胶的生成 ， 改善了水泥石的强 度 o 】 。 纳米 C a C O 3 同样可 以与水泥 中的 C 和 C 4 A F 产生水化反应 ， 生成有益于基体强度增长 的水化碳 铝酸钙。此外 ， 其所具备的物化吸附作 用还能够有 效吸收水泥水化时产生的 C a 2 + ， C a 浓度 的降低可提 高水泥水化速度 ” 。 从试验结果可以看出， 纳米矿粉 掺入到钢纤维混凝土后 ， 劈拉及抗折强度都有一定 程度的提高， 这就证明了纳米矿粉所具有的物理化 学特性 在提高钢纤 维增强效率方面发挥 了应有的 作 用 。 4结 论 ( 1 ) 钢纤 维的加 入 ， 使纳米混凝 土具有 了一定 的塑性和延性破坏特征 。钢纤维可大幅度地提高纳 米混凝土 的劈拉强度和抗折强度 ， 远大于对抗压强 度的提高 ， 发挥了 良好 的主拉 应力控 制能力 ， 但 随 着基体强度的增长 ， 拉压强度比及折压强度 比呈下 一 1 0一 降的趋势 。 ( 2 ) 纳 米 S i O z 和纳 米 C a C O ， 掺 量 的增 加 ， 对 钢 纤维混凝土的劈拉强度和抗折强度都有较小程 度 的提高 ， 但会使其脆性增大 。 其中， 纳米 S i O 对强度 提高的最佳掺量为 0 5 ， 纳米 C a C O ， 在掺量范围内 的强度始终增长。 ( 3 ) 钢纤维 的阻裂增强作用改善 了混凝土的力 学性能 ； 纳米矿粉 的微填充及促进水化作用增加 了 基体 的强度 ， 改善 了界 面过渡 区 ， 进而提高 了钢纤 维 的增强 效率 。 参 考 文 献 ： 【 1 】 S u r y a n a r a y a n a C ， K o c h C C N a n o c r y s t a l l i n e ma t e r i a l s C u r r e n t r e s e a r c h a n d f u t u r e d i r e c t i o n s J 】 Hy p e r f i n e I n t e r a c t i o n s ， 2 0 0 0 ( 1 3 0 ) ： 5 - 4 4 【 2 刘吉平， 张艾飞 建 筑材料与纳米技术 【 M】 北京： 化学工 业出版社， 2 0 0 7 【 3 A t z m o n y u ， L i v e n z ， Mc m i e h a e l r d ，e t a 1 Ma g n e t i c V i s c o s i t y I n v e s t i g a t i o n s o f N a n o g r a i n I r o n P o w d e r【 J 】 J o u rna l o f A p p l i e d P h y s i c s 1 9 9 6 ， 7 9 ( 8 ) ： 5 4 5 6 5 4 5 8 田莹， 曲涛， 刘 玉文 纳米材料 在建筑材料 中的应用前 景概 述l J 低温建筑技术， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 7 6 - 7 7 【 5 】 李 晗， 高丹盈， 赵军 纤维纳 米混凝土力 学性能 和抗 氯离 子渗透性 能的研究 J 华北水利水 电学院学报， 2 0 1 2 ， 3 3 ( 6 ) ： 3 94 5 【 6 】6 季韬， 黄 与舟， 郑作樵 纳米 混凝土物 理力学性 能研究初 探f J 1 混凝 土， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 1 3 1 4 ， 4 8 7 高丹盈， 刘建秀 钢纤维混凝 土基本理论 M】 北京： 科 学 技术 文献 出版社， 1 9 9 4 8 中华人 民共 和 国建设 部，国家质 量 监督 检验 检 疫总 局 G B F F 5 0 0 8 1 2 0 0 2普通混凝 土力学性能 试验方法标 准【 S 北 京： 中国标准出版社， 2 0 0 2 f 9 J 大连理工大学 C E C S 1 3 2 0 0 9纤 维混 凝土试验方法标 准 S 北京： 中国计划 出版社， 2 0 0 9 1 0 】 Y e Q ， Z h a n g Z N ， K o n g D Y I n fl u e n c e o f n a n o S i O 2 a d d i t i o n o n p r o p e r t i e s o f h a r d e n e d c e me n t p a s t e a s c o mp a r e d w i t h s i l i c a f u m e J 】 C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 7 ( 2 1 ) ： 5 3 9-5 45 【 1 l 】 王德志 纳米 S i O 、 纳米 C a C O 增强混 凝土性 能研究 D I 银川： 宁夏大学， 2 0 1 0 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 0 3 作者简介 ： 陈刚( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 博士研究生 。 通讯地 址 ： 郑州 市文化路 9 7号 联 系电话 ： 0 3 7 1 6 3 8 8 5 2 1 8 E- ma i l ： g c 8 5 8 u o wma i l e d ua u 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m