改性纤维混凝土是以断裂力学和细观力学的理论为指导, 通过对纤维、基体和界面有意识地调整而得到的一种新型水泥基复合材料^[1-3]。该材料具有良好的韧性、理想的裂缝宽度控制能力以及良好的黏结性能^[4]。但由于应用领域要求不同、施工质量控制等诸多原因, 该材料各方面性能没有得到体现^[5-7], 在各领域实施效果差异较大, 并没有取得理想的效果, 其根本原因在于学术界和工程界主观上夸大了纤维的作用, 而忽略了纤维混凝土对水泥基体提出更高的要求。质量低劣的水泥基体不能与纤维协调工作, 从而造成了纤维在水泥基体中不能很好地发挥作用, 甚至影响了水泥基的性能。本研究旨在通过有机、无机外加剂进一步改善传统纤维混凝土水泥基的性能, 使水泥基体具备较高的黏结力、良好的收缩变形性能。研究成果可用于路桥、房建的混凝土养护和维工程中。

辽宁省在公路局在混凝土路面0.5~2 cm大中修罩面工程中应用的纤维混凝土配合比为, 硅酸盐水泥:CSA膨胀剂:砂:聚羧酸减水剂:聚丙烯纤维:水=400:50:545:2.5:2^[8]。通过后评价系统调研发现, 该配合比应用中仍存在与基层黏结一般, 后期仍然会出现收缩裂纹。为此, 本研究通过掺入有机、无机材料, 如丙烯酸乳液、丁苯乳液、微硅粉、纳米二氧化硅, 进一步提高黏结力使新旧混凝土结合成成一体; 并对配合比进行收缩试验, 以分析有机、无机添加剂对混凝土变形的影响。

丙烯酸树脂、胶粉分别为广东龙湖科技有限公司的413乳液、5010胶粉; 丁苯乳液, 50%含固、纳米二氧化硅为沈阳某建筑材料科技有限公司生产; 微硅粉为92硅灰, 市售。

在混凝土材料中掺入一定数量有机、无机纳米材料虽然可以大大提高材料的黏结性能及其他性能^[9-12], 但有机添加剂的加入势必有一定的缓凝与引气等副作用; 无机纳米材料比表面积大, 其需水量增加, 对水泥基材料的和易性和密实度产生影响^[13-15], 其掺量达到一定程度将影响材料的早期强度及后期强度。为此本研究开展相关研究, 在相关文献和经验的前提下, 确定了丁苯乳液、丙烯酸树脂、胶粉、微硅粉、纳米二氧化硅作为研究对象, 通过试验确定其最佳掺量与种类。减水剂的掺量在基础配合比基础上上下波动, 以保证砂浆的流动度和扩展度不变。

将表 1中的有机、无机材料掺量对对混凝土抗压强度的影响数据绘制成图。影响规律见图 1。

图 1 添加剂对混凝土抗压强度影响 Fig. 1 Influence of additives on compression strength of concrete

从图 1中可以看出, 总体来看, 随着微硅粉、纳米二氧化硅掺量的增加, 混凝土的强度总体呈增长的趋势, 其中纳米二氧化硅对强度的贡献更大。分析原因主要是:微硅粉和纳米二氧化硅一方面都为高活性的纳米材料, 另一方面可以填充水泥的空隙, 在使水泥基体微级配更加合理, 生成更加致密的钙矾石。相对微硅粉, 纳米二氧化硅活性更好, 平均尺寸30 nm, 而微硅灰平均粒径尺寸在0.1~0.3 μm, 纳米二氧化硅可进一步填充硅灰的空隙, 因此, 随着其掺量的增加, 其强度更高。

丁苯乳液、胶粉、丙烯酸树脂等有机物的加入一定程度上降低了混凝土的抗压强度, 主要原因是, 有机材料成膜后降低了纤维混凝土弹性模量, 提供了更好柔韧性。由于本次试验材料设计强度较高, 为此, 有机材料的影响有限, 剩余强度仍较高, 满足工程使用要求。

正拉黏结强度测试参照《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70—2009)中的要求, 本试验研究采用DKJM-5型高精度铆钉拉拔仪, 采用100 mm×1 000 mm×400 mm的混凝试块作为基层混凝土, 强度等级分别为C30和C50, 实测28 d立方体抗压强度为32.6 MPa和52.3 MPa, 试块表面用角磨机打磨使其粗糙均匀, 每个配合比在基层混凝土成型3个40 mm×40 mm×5 mm试块, 在标准条件下养护。

根据表 1的试验数据和相关文献可知^[16-18], 可知, 从总体来看, 有机材料对砂浆强度有一定程度的降低, 无机纳米材料对强度有较大幅度提高, 但总体影响有限^[16-18]。考虑经济性、施工、稳定性等因素。精选比(见表 2)进行黏结强度试验, 试验结果见图 2。

图 2 黏结强度试验结果 Fig. 2 Tested results of bonding strength

从试验结果中可以黏结强度最高的为试验N05-30和N05-60, 1 d黏结强度分别为2.51 MPa和2.53 MPa, 3 d分别为2.61 MPa和2.73 MPa, 28 d分别为3.30 MPa和3.52 MPa, 28 d的拉拔后破坏的形态全部为基层老混凝土破坏。主要原因在于聚合物能够提供化学黏结力, 超细矿物掺合料能够和基层的老混凝土产生水化反应, 生成致密的水化产物, 增强了界面混凝土的强度, 同时也增强了界面的黏结性能。当二者复掺时, 能够达到最佳的黏结效果。对比N04, N05和N06可以看出, 丙烯酸树脂对黏结强度>丁苯乳液>环氧树脂。最佳掺量为:6%丙烯酸树脂+5%微硅粉+0.04%纳米二氧化硅。

收缩试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)进行测试, 在标准试验条件下进行测试, 分别开展空气中和水中的收缩试验, 试验配比见表 3, 试验见图 3。对比基础配比和优化后配比的搜索数据。

图 3 空气中收缩率试验结果 Fig. 3 Test result of shrinkage ratio in the air

从图 3的试验数据中可以看出, 优化后的配比空气中的收缩明显降低, 1 d, 3 d, 7 d, 28 d, 56 d, 90 d和180 d分别为0, 0.001%, 0.004%, 0.000 7%, 0.015%, 0.017%和0.023%, 比基础配比分别降低了100%, 66%, 86.7%, 80%, 68.8%, 67.2%和61.7%。主要原因丙烯酸树脂在混凝土内部颗粒形成包裹膜层, 能够有效抑制混凝土内部毛细孔中水分蒸发, 降低了毛细孔压应力, 因此能够降低空气中干燥收缩。微硅粉及纳米二氧化硅使得水泥基微级配更加合理, 基体密实度更佳, 为此, 其干缩进一步减小,

从图 4的试验结果中可以看出基础配比和改进配比在水中变形性能基本一致, 总体差异不大, 改进配比1 d, 3 d, 7 d, 28 d, 90 d和180 d膨胀率分别为0.01%, 0.015%, 0.018%, 0.001 2%, 0.01%和0.01%, 膨胀率控制在0.02%以内, 在雨天或者积水的条件下可以保持体积稳定性。

图 4 水中收缩率试验结果 Fig. 4 Test result of shrinkage ratio in the water

扫描电子显微镜(SEM)是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段, 本研究通过扫描电子显微镜观察聚合物掺入后水泥水化产物的变化及聚合物的成膜效应, 分析聚合物掺入后对砂浆性能的改性机理。图 5、图 6为用扫描电镜观察的砂浆内部微观结构。

图 5 普通砂浆形貌特征 Fig. 5 Morphology characteristics of ordinary mortar

图 6 改性砂浆形貌特征 Fig. 6 Morphology characteristics of modified mortar

图 5显示的是基础砂浆的微观形貌结构, 图中可以清晰地看到大量针状的钙矾石晶体和一些絮状的CSH凝胶。从图 6中可以看到, 当掺入有机添加剂后, 砂浆的SEM微观结构与普通砂浆相比, 发生了明显变化, 水泥水化形成的钙矾石变得细密, 且针状的钙矾石晶体之间被许多膜状物黏结在一起, 这些膜状物大大提高了界面的黏结力。

通过系统研究, 进一步优化了纤维混凝土的配合比。通过掺入环氧树脂、丙烯酸乳液、丁苯乳液、微硅粉、纳米二氧化硅等方法提高纤维混凝土黏结应力, 确定添加剂最佳掺量为:6%丙烯酸树脂+5%微硅粉+0.04%纳米二氧化硅。纤维混凝土优化后的最优配合比各项性能指标优异, 可用于混凝土预防性养护、大中修工程中。