黄静静，李冬冬，吴 鸣*，李庚英，2

（1.汕头大学土木环境系，广东 汕头 515063；2.华南农业大学水利土木学院，广东 广州 510642）

0 前言

高掺量粉煤灰混凝土（HVFC）具有造价低、水化热低、耐久性好、绿色环保等特征，已经被广泛应用于水工大坝、道路工程等大体积混凝土结构中[1-6].但是由于其早期强度和抗拉强度低、韧性差，使其不仅仅在受到冲击荷载时容易剥落、破碎，降低其最终承载能力，而且在正常工作状态下也容易产生裂缝，导致混凝土结构的耐久性不足.PVA纤维具有较高的弹性模量和抗拉强度、亲水性好、耐酸碱腐蚀、耐候性好、与水泥粘结力高、绿色环保等特点[7-9].在混凝土中增加乱向分布的PVA短纤维，能够起到阻裂、增强和增韧的作用[9-11].纳米SiO2（NS）一方面可以填充水泥的孔隙，提高混凝土的密实度，另一方面还能起到晶核作用，提高胶凝材料的水化速度[12-13].我们早期的研究表明，在HVFC中掺入适量NS，不但能使得混凝土的早期强度快速发展，还能提高混凝土的耐硫酸盐腐蚀能力[2].在上述研究的基础上，本文研究了单掺及复掺NS、PVA纤维对HVFC弯曲断裂性能的影响，通过与素混凝土对比，分析了NS及PVA掺量对混凝土弯曲韧性的影响，并且采用扫描电镜分析了其微观结构特征，为进一步开展该种混凝土的研究奠定了基础.

1 试验

1.1 原材料

采用的胶凝材料包括P.O 42.5R型水泥，粉煤灰和纳米SiO2（NS），其物理化学性能如表1所示.粉煤灰的微观形貌如图1所示，显然粉煤灰主要由大量球形颗粒组成.NS的粒径为30 nm.粗集料的最大粒径为25 mm，压碎指标9.84%，堆积密度1 486 kg/m3.细集料为天然河砂，细度模数2.50，表观密度2.65 g/cm3，堆积密度1.54 g/cm3，空隙率41.0%，含泥量0.55%.本论文采用的减水剂为萘系高效减水剂，外观为褐黄色粉末，其主要成分为β基萘磺酸盐甲醛缩合物，减水效率为25%.PVA纤维为日本株式会社生产的KURALON K-II型纤维，其特性见表2，PVA的外观特征及分子结构如图2.

表1 水泥、粉煤灰和纳米SiO2的物理化学性能

表2 PVA纤维物理力学性能

图1 SEM下粉煤灰微观结构

图2 PVA纤维及分子结构

1.2 试件准备及测试

首先将粗细集料、水泥、粉煤灰和NS在搅拌机中干拌2 min；然后将水、减水剂混合均匀后再加入到干拌材料中，湿拌2 min；之后一边搅拌一边沿着搅拌方向将PVA纤维加入有一定流动度的拌合料中，再搅拌2 min；最后将搅拌均匀的新拌混凝土加入100 mm×100 mm×400 mm的模具中，震动2 min后抹平.在24 h后拆模，将试块放到养护室，采用饱和石灰水养护.混凝土具体配合比设计见表3.

表3 纳米SiO2/PVA纤维增强HVFC配合比

断裂韧性测试参照《纤维混凝土试验方法标准》（CECS 13-2009）中的规定，采用四点抗弯试验（如图3）测试，每组3个试件，测试龄期为28 d，试验所用设备为SANS抗折试验机以及数据采集系统.试验前，通过钢尺在试件上画好三分点，然后将试件安放在支座上，保证支座两端各留出50 mm.将分配梁的两个支座依次对准试件的三分点，确保均匀受力，并将位移传感器固定在试件跨中上方.鉴于试验所用的设备，位移传感器采用磁性固定装置.试验加载前，需要进行预加载，从而保证试件与支座良好接触.试验加载由位移控制，加载速率为0.02 mm/min，加载过程中记录时间、荷载、跨中挠度.挠度采用NS-WY03位移传感器收集，并连接MIP数据采集系统传输到电脑中.为了保证记录的荷载和挠度一致性，抗折试验机和位移传感器的数据采集频率都为1 HZ.记录集中荷载P和试件跨中挠度δ绘制成荷载—挠度曲线，根据ASTM C1018[14]计算混凝土的韧性，ASTM C1018推荐的弯曲韧性指数由I5、I10、I20组成.

图3 断裂韧性四点弯曲测试示意图

混凝土断裂韧性指数计算示意图如图4所示，B点为初裂点，该方法是利用初裂挠度δ的3.0、5.5、10.5倍作为终点挠度，其值越大说明韧性越好，混凝土为脆性材料，这些韧性指数的指均为1.ASTM C1018推荐的弯曲韧性指数由I5、I10、I20组成，计算公式如下：

式中A1——从零点到初裂点挠度δ处，荷载-挠度曲线与横轴围成的面积；

A2——从挠度δ处到3δ之间，荷载-挠度曲线与横轴围成的面积；

A3——从挠度3δ处到5.5δ之间，荷载-挠度曲线与横轴围成的面积；

A4——从挠度5.5δ处到10δ之间，荷载-挠度曲线与横轴围成的面积.

图4 ASTM C1018韧性指标计算示意图

此外，ASTM C1018还提出了残余强度指标R，由R5，10和R10，20组成，具体计算如式（4）-（5）：

理想弹塑性材料各级剩余强度均为100，而理想脆性材料，各级剩余强度均为0.对于纤维混凝土而言，剩余强度指标R越大，其增韧效果越好.

2 试验结果分析

2.1 混凝土的荷载-挠度曲线

单掺NS混凝土的荷载-挠度曲线如图5（a）所示，显然，NS提高了混凝土的峰值荷载，但是不会改变混凝土的荷载-跨中挠度曲线，均表现为典型的脆性破坏，即混凝土在达到极限破坏荷载前，荷载与跨中挠度成线性关系，而达到极限荷载后，混凝土的承载力急剧降低.其初裂挠度、初裂抗弯强度、峰值跨中挠度和峰值荷载如表4所示.

图5 NS和PVA纤维复合改性HVFC的荷载-跨中挠度曲线

单掺PVA纤维混凝土的荷载-挠度曲线如5（b）所示，从图中可以看出，PVA纤维不仅提高了混凝土的峰值荷载还改变了荷载-挠度变形曲线特征，其中荷载峰值随着PVA纤维掺的增加而增加.而荷载挠度曲线在达到峰值以前和基准混凝土变化规律基本一致，都为线性关系，在这一阶段，基体混凝土和PVA纤维作为一个整体共同承担外加荷载，并且在此过程中混凝土主要为受力承担者.而后，随着外加荷载的增大，拉应力超过混凝土受拉区承受能力，混凝土出现初始裂缝，变形不再满足胡克定律，而呈现塑性变形.由于混凝土中乱向分布的PVA纤维能横跨裂缝，起到了“微钢筋”的作用，一方面可以提高混凝土的承载能力，还能限制了裂缝的扩展速度.并且，混凝土极限承载能力和变形能力随着PVA纤维掺量的增加而增加[10].

复掺NS/PVA纤维混凝土的荷载-挠度曲线如图5（c）所示，从图中可以看出，复掺NS/PVA纤维混凝土的荷载-挠度曲线与仅掺PVA纤维混凝土的荷载-挠度曲线变化情况基本一致.但是复掺适量NS更有利于提高混凝土的峰值强度和剩余强度，其中NS合理的掺量为0.5%～1.5%，当NS掺量较大时，峰值荷载有所降低，这主要是因为当NS掺量较大时，混凝土的需水量会增大，拌合物的流动性降低，不利于纤维的均匀分散，影响了混凝土的强度.

2.2 断裂性能

单掺NS混凝土的弯曲断裂性能如表4所示，显然NS对混凝土的初裂跨中挠度、初裂抗弯强度和极限抗弯强度有轻微的影响.其中，NS的最佳掺量为1.0%，此时混凝土初裂强度和峰值强度比基准混凝土分别高4.6%和5.3%.

表4 单掺NS的粉煤灰混凝土弯曲断裂性能

另外本文还测试了单掺NS对HVFC的7d和28 d强度的影响，测试结果如表4所示.从表4中可以看出，NS对混凝土抗压强度的影响程度远高于抗折强度.尤其值得注意的是，NS对HVFC的7 d抗压强度影响显著，当NS掺量为0.5%，1.0%，1.5%和2.0%时，抗压强度分别比未掺NS的混凝土高13%，20%，38%和31%.这一测试结果表明，NS具有激发胶凝材料水化速度的作用.

从表5及图6中可以看出，单掺PVA纤维时，混凝土的初裂挠度、初始抗弯强度以及极限抗弯强度均随着纤维掺量的增加而增加.当PVA掺量为（0.08-0.20）%时，混凝土的初裂挠度、初裂抗弯强度和极限抗弯强度分别提高了（8.0-23.5）%，（8.4-24.2）%和（8.7-25.9）%.表5还表明，随着纤维掺量的增加，混凝土的弯曲韧性指数I5、I10、I20逐渐增大，其中I20增加的幅度最大.当纤维掺量为0.08%，0.1%和0.2%时，I20分别比素混凝土高5.47、7.18和9.01倍.这是由于在混凝土断裂过程中，从基体中所拔出、拉断所消耗的能量随着纤维掺量的增加而增加.

表5还表明复掺少量NS可以进一步提高PVA纤维的增韧效果.NS0.5/PVA0.08（NS掺量为0.5wt.%）的弯曲韧性指数I5、I10、I20分别是未改性混凝土的4.76，6.99及10.32倍，比NS0/PVA0.08高28%，43%和60%.但是PVA纤维掺量较高时，NS作用效果降低，NS0.5/PVA0.2的弯曲韧性指数I5、I10、I20比NS0/PVA0.2只提高了2%，5%和8%.这是由于纤维掺量较大时，NS的掺入会使得拌合物需水量增大，不利于纤维均匀分散，影响了纤维增韧效果.

表5 NS及PVA纤维对复合改性混凝土弯曲断裂剩余强度指数的影响

图6 NS和PVA纤维对改性混凝土极限抗弯强度的影响

2.3 残余强度

残余强度是指理想弹塑性材料各级剩余强度均为100，而理想脆性材料，各级剩余强度均为0.对于纤维混凝土而言，剩余强度指标R越大，其增韧效果越好.

本文还增加公式（4）和（5）计算了混凝土断裂残余强度，其结果如表5所示，显然PVA纤维和NS都显著影响混凝土的残余强度.为了更好的比较PVA纤维和NS的增强效果，本文以断裂剩余强度表明纤维对混凝土的增韧效果.图7是NS及PVA纤维掺量对混凝土剩余强度的影响，图中以NS0/PVA0.08的剩余强度为基准，显然混凝土的剩余强度随着PVA纤维掺量的增加，NS0/PVA0.1和NS0/PVA0.2的剩余强度R5，10比NS0/PVA0.08分别提高了44.9%和90.7%，而R10，20分别提高了22.3%和105.7%.少量的NS可以进一步提高混凝土断裂剩余强度，当NS掺量为0.5%时，混凝土的剩余强度大幅度提高.其中NS0.5/PVA0.08，NS0.5/PVA0.1和NS0.5/PVA0.2的剩余强度R5，10比NS0/PVA0.08分别提高了90.0%，117.8%和114.4%，而R10，20分别提高了112.1%，105.7%和136.3%.

图7 NS及PVA纤维掺量对混凝土断裂剩余强度的影响

2.4 微观结构

通过扫描电镜对高掺量粉煤灰水泥砂浆进行微观分析，对比图8a和图8b可知，复掺NS和PVA纤维的高掺量粉煤灰水泥砂浆微观更加密实，掺入NS后未反应的粉煤灰颗粒减少，并且还能使得PVA纤维/水泥界面更加紧密.界面粘结良好时，荷载能有效的从基体传递至纤维，使PVA纤维能承受更大的拉应力.因此在弯曲试验过程中，其荷载-变形曲线的峰值和剩余强度随着NS掺量的增加而增加.

图8 高掺量粉煤灰水泥砂浆的微观结构（a.只掺PVA纤维；b.复掺NS和PVA纤维）

3 结论

本文通过4点弯曲试验，研究了单掺NS，PVA纤维和复掺NS/PVA纤维对HVFC弯曲断裂性能的影响，并采用扫描电镜分析了其微观结构，主要结论如下：

1）单掺NS能促进粉煤灰的水化，提高混凝土抗压强度，当其掺量为0.5%-2.0%时，混凝土7 d和28 d强度分别提高了13%-38%和6%-14%；

2）单掺NS能提高混凝土的初裂抗弯强度和极限抗弯强度，但是不能改变混凝土的脆性特征；

3）单掺PVA纤维能提高混凝土的断裂韧性，并且纤维掺量越高混凝土断裂韧性越好，当纤维体积掺量为0.08%时，混凝土的断裂韧性指数I5、I10、I20分别为素混凝土的2.72、3.90和5.47倍；

4）复掺NS/PVA纤维可以进一步提高混凝土的断裂韧性，PVA纤维掺量为0.08%时，NS的掺量为0.5%时，混凝土的弯曲韧性指数I5、I10、I20分别是素混凝土的3.76、5.99和9.32倍，且比PVA纤维掺量为0.08%，NS掺量为0%时的混凝土弯曲韧性指数分别提高了28%，43%和60%；

5）SEM分析结果表明，NS不但可以促进粉煤灰的水化，密实混凝土的结构，还可以提高PVA纤维和水泥基界面性能.