纳米SiO2玄武岩纤维高性能混凝土弯压强度的试验研究

纳米SiO2玄武岩纤维高性能混凝土弯压强度的试验研究

蔡昊初冯宇琦王钰莹陈辉易举

吉林大学交通学院130000

摘要：为制备新型的高性能混凝土，对不同纳米SiO2掺量、粒径和不同玄武岩纤维掺量、长度的混凝土进行了标养28d的压折性能试验，并对试验结果进行分析研究。结果表明：纳米SiO2和玄武岩纤维的掺入，可以显著地提高混凝土的抗压和抗折强度。其中，当纳米SiO2掺量为1.5%，粒径为20nm；玄武岩纤维掺量为3kg/m3，长度为20mm时抗压强度最高。当纳米SiO2掺量为1.5%，粒径为20nm；玄武岩纤维掺量为3kg/m3，长度为20mm时抗折强度最佳。

关键词：高性能混凝土；纳米SiO2；玄武岩纤维；抗折强度；抗压强度

高性能混凝土由于具有高强度、高工作性、高耐久性和高体积稳定性等优点而受到工程界和国内外学者的关注，成为现今混凝土方面的研究热点。许多国内外学者对混凝土的改性研究做了大量的工作，其中将纳米SiO2和玄武岩纤维掺入到混凝土中就是一种很重要的技术手段[1]。

掺加纳米SiO2粉末与玄武岩纤维，从微观机理来看，提高了混凝土中组分的细度，改善了混凝土中各组分的填充密实程度；从宏观响应上来看，掺加会显著提高混凝土的抗压强度和抗折强度，有较好的发展前景[2]。一方面，纳米级别颗粒粒径的SiO2粉末掺入混凝土后，可以细化水泥颗粒间的微小孔隙，并进行有效地填充，由此提高混凝土的密实性，增强混凝土的力学强度。另一方面，掺入的玄武岩纤维在混凝土中会相互交错，形成复杂的空间网络结构，将硬化的水泥石与粗、细骨料很好地联系起来，阻碍混凝土内部细小裂缝的开展。这在一定程度上会阻碍混凝土表观裂缝的产生，在强度方面表现为混凝土的抗折强度等力学性能得到一定的提高[3]。

1.材料特性

（1）纳米SiO2：

表1纳米二氧化硅参数表

（2）玄武岩纤维：

表2玄武岩纤维参数

（3）水泥：长春亚泰水泥厂普通硅酸盐水泥P42.5。

（4）粗骨料：粒径10～20mm的级配碎石。

（5）细骨料：长春市中砂，细度模数为2.6。

（6）水：自来水。

2.试验设计

2.1试件制备

混凝土强度设计等级为C40，各组试件配合比见下表。

表3配合比设计表

表4各组材料用量表

表5试验设计内容

2.2试验规范

混凝土试件按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2002）的规定进行制作。依照标准进行混凝土力学性能试验，包括抗压强度试验、抗折强度试验。

2.3试验方法

采用YEJ-2000型压力试验机对试件进行抗压强度和抗弯拉强度实验，抗压强度实验加载速度控制在0.5Mpa/s-0.8Mpa/s左右，抗弯拉强度实验加载速度控制在0.05Mpa-0.08Mpa/s左右。

3.抗压强度试验

3.1正交实验方法数据处理表格

表6数据处理表

注：表中的Ij是指第j列取I水平下的指标和。

表中的Rj是指第j列中的Ⅰj、Ⅱj之间最大值与最小值之差，即极差。

3.2纳米SiO2对抗压强度的影响

图1图2

由图1、图2可知，混凝土抗压强度随着纳米SiO2的掺量、粒径都呈现出先增大后减小的趋势。在纳米SiO2掺量达到1.5%之前，混凝土强度随掺量变化速度较快，表现为混凝土强度明显增大，而当掺量达到1.5%之后强度反而有所下降。由此纳米SiO2的最佳掺量为1.5%。同样纳米SiO2粒径在20nm之前，混凝土强度呈线性增长，在20nm处达到峰值，相比素混凝土强度增加11.51%。

3.3玄武岩纤维对抗压强度的影响

图3图4

由图3、图4可知，混凝土抗压强度随玄武岩纤维掺量和玄武岩纤维长度的增加同样呈现先增大后减小的趋势。当玄武岩掺量增加到3kg/m3时，混凝土抗压强度达到最大值，其强度较素混凝土增大8.44%。当玄武岩纤维长度在12mm时，混凝土抗压强度取得峰值，随后随长度的继续增加，抗压强度反而降低。

3.4实验总结

由表6可知，由于极差的大小代表了该因子变化对指标值的影响程度。因此，可从极差的大小顺序得出各因子对指标值影响大小的相应顺序。影响混凝土抗压强度的因素排序为：纳米SiO2掺量，纳米SiO2粒径，玄武岩纤维掺量，玄武岩纤维长度。同时可以得到各变量的最佳组合：纳米二氧化硅掺量1.5%，纳米SiO2粒径20nm，玄武岩纤维掺量3kg/m3，玄武岩纤维长度20mm。

4.抗折试验

4.1正交实验方法数据处理表格

表7数据处理表

注：表中的Ij是指第j列取I水平下的指标和；

表中的Rj是指第j列中的Ⅰj、Ⅱj之间最大值与最小值之差，即极差。

4.2纳米SiO2对抗折强度的影响

图5图6

图5为纳米SiO2掺量与抗折强度关系曲线，当纳米SiO2粒径、玄武岩纤维掺量长度一定时，纳米SiO2掺量从0%增加到1.5%时，混凝土抗折强度逐渐增加，且抗折强度相比素混凝土增加13.4%，纳米SiO2的最佳掺量为1.5%。图6为纳米SiO2粒径与抗折强度关系曲线，抗折强度随着纳米SiO2粒径的增大先增大后减小，且当粒径为20nm时，抗折强度达最大值，相比素混凝土强度增加12.9%。

4.3玄武岩纤维对抗压强度的影响

图7图8

图7为玄武岩纤维掺量与混凝土抗折强度的关系曲线，玄武岩纤维的掺加对抗折强度的增加有显著作用，当玄武岩纤维掺量为3kg/m3时，混凝土抗折强度达最大值，相比素混凝土强度增大15.0%。图8为玄武岩纤维长度与混凝土抗折强度的关系曲线，混凝土抗折强度随玄武岩纤维长度的增加而增加，当玄武岩纤维长度为20mm时抗折强度的变化已经较小，从12mm至20mm仅增加2%，故本实验最佳长度为20mm。

4.4实验总结：

由表7可知，由于极差的大小代表了该因子变化对指标值的影响程度。因此，可从极差的大小顺序得出各因子对指标值影响大小的相应顺序。本实验得出玄武岩纤维的掺量对混凝土的抗折强度影响最大，玄武岩纤维长度影响次之，其次为纳米SiO2掺量，影响最小的为纳米SiO2粒径。最佳组合：纳米SiO2掺量1.5%，纳米SiO2粒径20nm，玄武岩纤维掺量3kg/m3，玄武岩纤维长度20mm。

5.结论

试验表明，掺入适量纳米SiO2粉末和玄武岩纤维的混凝土，其抗压强度和抗折强度均有显著提升，混凝土的工作性能得到了有效的改善。根据实验曲线，随着纳米SiO2粉末掺量，粒径和玄武岩纤维掺量，长度等四个变量取值的变化，混凝土力学性能大多呈现先增强后减弱的变化趋势，且均存在一个共同的峰值点。在纳米SiO2粉末掺量为1.5%，粒径为20nm，玄武岩纤维掺量为3kg/m3，长度为12mm时，混凝土各项强度性能最佳。从上述实验可以知道，在所选取的四个变量中，纳米SiO2、玄武岩纤维掺量对抗压强度影响较为显著，而对抗折强度起主要改善作用的是玄武岩纤维的掺量。

参考文献：

[1]叶青.纳米复合水泥结构材料的研究与开发[J].新型建筑材料.2001，11：1001-702x.

[2]朱迎.纳米SiO2玄武岩纤维混凝土力学性能实验与微观结构分析[M].安徽，2017：1-86.

[3]李为民，许金余.玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应[J].硅酸盐学报，2008，36（4）：476-486.