魏 華，張 鵬，王 娟，張?zhí)旌?/p>

(1.河南省交通基本建設(shè)質(zhì)量檢測監(jiān)督站，鄭州 450005；2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001)

0 引 言

納米材料是由大量微細(xì)顆粒組成，顆粒的粒徑一般不超過100 nm。在過去的幾十年內(nèi)，納米材料被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)，在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。由于具有獨特的物理化學(xué)性能，近年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展和納米材料制造成本的降低，納米材料在土木工程領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注，被用于制備各種新型建筑材料[1]。納米粒子摻入水泥基復(fù)合材料后可促進(jìn)水泥的水化，其小尺寸效應(yīng)和填充效應(yīng)可改善基體材料的微觀結(jié)構(gòu)，并可提高水泥漿體與集料間的界面性能，使基體結(jié)構(gòu)更加致密，可使硬化后材料各種性能有較大改善[2]。納米粒子在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用受到越來越多研究者的重視，結(jié)果表明，適量納米顆粒的摻入可顯著提高基體材料的抗壓強度、抗彎拉強度、斷裂韌性以及抗凍性、抗碳化性、抗?jié)B性等耐久性[3-6]。

水泥基建筑材料是世界上用量最大的建筑材料之一，長期以來，在土木建筑工程諸多領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)物中得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的水泥基建筑材料具有較低的韌性和抗拉性能，極易發(fā)生不同程度、不同形式的開裂，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性在服役過程中不斷降低，甚至使結(jié)構(gòu)構(gòu)件在建造過程中產(chǎn)生各種病變，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種不同程度的破壞。為彌補傳統(tǒng)水泥基復(fù)合材料的缺陷，可在水泥基復(fù)合材料中摻入各種類型的短纖維，如PVA纖維、碳纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維、植物纖維材料等，制備出具有高韌性和良好抗裂性的新型水泥基復(fù)合材料[7-10]。在上述纖維材料中，PVA纖維與水泥、石膏等膠凝材料有較好的黏結(jié)性，具有較高的彈性模量以及較好的耐磨性和抗酸堿性，且是一種對人體無毒無害的合成纖維。近年來，諸多研究者針對PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明，適當(dāng)摻量的PVA纖維可較好地改善水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐久性[11-12]。在水泥基復(fù)合材料抗拉性能各種評價體系中，單軸拉伸性能可更真實地反映材料的抗拉性能。然而，目前關(guān)于摻納米材料和纖維水泥基復(fù)合材料抗拉性能方面的資料較缺乏。因而，本文通過單軸直接拉伸試驗分析了納米粒子種類、摻量和石英砂粒徑等對水泥基復(fù)合材料單軸拉伸性能的影響，并對相關(guān)影響機理進(jìn)行了分析。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗中所采用的水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，細(xì)度為9.22，密度為2.1 g/cm3；制備水泥基復(fù)合材料的細(xì)骨料采用四種不同粒徑范圍的石英砂，其目數(shù)分別是20～40目、40～70目、70～120目、120～200目，對應(yīng)粒徑范圍分別為380～830 μm、212～380 μm、120～212 μm、75～120 μm；采用的納米粒子為納米SiO2和納米CaCO3，均為松散狀白色粉末，兩種納米粒子的比表面積分別為200 m2/kg和23 m2/kg，平均粒徑均為30 nm；所摻加的PVA纖維為日本可樂麗公司生產(chǎn)的單絲PVA纖維，平均直徑為31 μm，抗拉強度為1 600 MPa，長度為12 mm；減水劑采用聚羧酸系高效減水劑，其減水率為22%。

1.2 試驗配合比

在水泥基復(fù)合材料制備中，PVA纖維以外摻法摻入，采用體積摻量，其摻量為0.9%；納米粒子以等量取代膠凝材料(水泥和粉煤灰)的方式摻入，采用質(zhì)量摻量。試驗以未摻納米粒子的PVA纖維水泥基復(fù)合材料(S01-B)為基準(zhǔn)配合比。為揭示納米粒子摻量對PVA纖維水泥基復(fù)合材料單軸拉伸性能的影響，選取四種不同納米SiO2摻量(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)；為揭示石英砂粒徑對PVA纖維水泥基復(fù)合材料單軸拉伸性能的影響，試驗選取四種不同粒徑的石英砂為骨料。在本文的配比編號中，分別用字母S、C代表納米SiO2和納米CaCO3，并分別用字母A、B、C、D代表四種不同石英砂粒徑，其對應(yīng)目數(shù)范圍分別為20～40目、40～70目、70～120目、120～200目。為對比不同納米粒子對水泥基復(fù)合材料單軸拉伸性能的影響，安排了兩組未摻PVA纖維水泥基復(fù)合材料配合比。水泥基復(fù)合材料的配合比如表1所示。

由表1可知，當(dāng)PVA纖維體積摻量為0.9%時，納米SiO2摻量較低情況下，隨納米SiO2用量的增大，水泥基復(fù)合材料的抗壓強度先增大后減小，納米SiO2摻量為1.0%時，材料的抗壓強度達(dá)到最大值。石英砂粒徑對水泥基復(fù)合材料抗壓強度有顯著影響，隨著石英砂粒徑的逐漸減小，抗壓強度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。納米CaCO3對水泥基復(fù)合材料或PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料的增強作用相對于納米SiO2較弱，具體體現(xiàn)在同樣納米材料摻量情況下，摻納米CaCO3時，試件的抗壓強度低于摻納米SiO2的試件。

表1 水泥基復(fù)合材料配合比Table 1 Mix proportions of cementitious composites

1.3 試件制備及試驗方法

混凝土單軸拉伸試驗一般采用尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件，對于水泥基復(fù)合材料，由于基體內(nèi)無粗骨料，可適當(dāng)減小試件尺寸，通常采用條狀薄板試件。已有文獻(xiàn)中，采用的水泥基復(fù)合材料單軸拉伸試件尺寸各有差異，本文試驗結(jié)合所采用試驗機及試件夾持裝置的情況，采用尺寸為305 mm×76 mm×20 mm的拉伸試件，在每個配合比條件下澆筑三個試件。試件澆筑1 d后進(jìn)行拆模，然后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。在試件到達(dá)齡期前2 d，將試件從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中取出，準(zhǔn)備試驗。目前水泥基復(fù)合材料直接拉伸試驗試件夾持可分為外夾式、內(nèi)埋式和粘貼式三種方式[13-14]，本試驗采用外夾式。在試件兩端均勻涂刷一層環(huán)氧樹脂膠，將碳纖維布纏繞粘貼在試件兩端，以避免試件在拉伸過程中夾持部位發(fā)生斷裂破壞。單軸拉伸試驗在300 kN微機控制液壓伺服試驗機上進(jìn)行，試驗加載采用等速位移方式(0.05 mm/min)進(jìn)行控制。在試件兩個對稱側(cè)面分別安裝1個LVDT用于實時記錄拉伸試件試驗過程中的拉伸位移，由數(shù)據(jù)采集儀自動采集。試驗過程中拉伸荷載由試驗機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集，通過對采集的荷載、位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到試件的極限拉伸應(yīng)變和極限拉伸應(yīng)力，并可得到試件拉伸過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖1 納米SiO2摻量對極限拉伸應(yīng)變的影響
Fig.1 Effect of nano-SiO2content on ultimate tensile strain

圖2 納米SiO2摻量對極限拉伸應(yīng)力的影響
Fig.2 Effect of nano-SiO2content on ultimate tensile stress

2 結(jié)果與討論

2.1 納米SiO2對單軸拉伸性能的影響

圖1和圖2分別給出了隨著納米SiO2摻量的增大，水泥基復(fù)合材料單軸拉伸試件極限拉伸應(yīng)變和極限拉伸應(yīng)力的變化規(guī)律。從圖中可以看出，納米SiO2的摻加對水泥基復(fù)合材料單軸拉伸試件的極限拉應(yīng)變和極限拉應(yīng)力有一定的提高。隨著納米SiO2摻量從0%增大到2.5%，試件極限拉應(yīng)變呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)納米SiO2摻量達(dá)到2.0%時，試件極限拉應(yīng)變達(dá)到最大值，相對于未摻納米SiO2水泥基復(fù)合材料，試件最大極限拉應(yīng)變由1.31%增大到1.47%，增大了12.2%。在本文試驗納米SiO2摻量范圍內(nèi)，納米SiO2摻量由0%增大到2.5%，試件極限拉應(yīng)力持續(xù)增大，試件拉伸破壞時的極限拉應(yīng)力由未摻加納米SiO2時的3.13 MPa增大到4.09 MPa，增大了30.7%。一定摻量的納米SiO2可增強水泥基復(fù)合材料抗拉伸性能，但過大摻量的納米SiO2使水泥基復(fù)合材料的極限拉伸應(yīng)變減小。

圖3 不同納米SiO2摻量時試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves of stress-strain for specimens with different nano-SiO2 content

圖3為不同納米SiO2摻量時，水泥基復(fù)合材料單軸拉伸試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖中可看出，納米SiO2摻量對水泥基復(fù)合材料單軸拉伸試件拉伸破壞模式影響不大，試件開裂后應(yīng)力下降均較快，破壞過程表現(xiàn)為典型的脆性特性。納米SiO2摻量由0%增大到2.5%時，試件極限應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線下降段所包絡(luò)面積逐漸增大。納米SiO2是高活性摻和料，在適當(dāng)?shù)膿搅糠秶鷥?nèi)，納米SiO2的摻入促進(jìn)了水泥的水化，能夠與水泥基復(fù)合材料內(nèi)的Ca(OH)2進(jìn)行反應(yīng)，從而促進(jìn)C-S-H凝膠的產(chǎn)生，可形成較密實的過渡區(qū)，使水泥石的強度有較大提升[15]。而且，水泥漿體中微細(xì)孔隙被大量尺寸極小的SiO2納米顆粒和C-S-H凝膠微粒所填充，大大提高了硬化后水泥基復(fù)合材料的密實度，使各種原生裂隙的數(shù)量和尺寸減小，因而提升了水泥基復(fù)合材料的抗拉伸性能[16]。納米SiO2的比表面積較大，與水拌合后吸附的表層水量較大，當(dāng)納米SiO2摻量過大時，使參加水化的水量減少，進(jìn)而降低了復(fù)合材料水泥的水化程度。

相關(guān)研究結(jié)果表明，適量納米粒子的摻入對纖維增強水泥基復(fù)合材料的斷裂性能有一定的增強，這可能是由于適量納米粒子的摻入，有效地發(fā)揮了納米粒子的充填效應(yīng)，大大增加了水泥基復(fù)合材料的密實度，減小了原生裂縫的數(shù)量及尺寸，微細(xì)裂縫產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)展的可能性降低[17]。此外，纖維與基體之間的摩擦力也取決于基體的密實程度，基體越密實，摩擦力越大，因此少量納米粒子的加入，也更有效地發(fā)揮了纖維的阻裂作用。

2.2 納米粒子種類對單軸拉伸性能的影響

圖4和圖5為摻入不同種類納米粒子對水泥基復(fù)合材料單軸拉伸試件的極限拉伸應(yīng)變和極限拉伸應(yīng)力的影響。由圖中可以看出，無論水泥基復(fù)合材料中是否摻加PVA纖維，摻加納米SiO2試件的極限拉伸應(yīng)變和極限拉伸應(yīng)力均比摻加納米CaCO3試件要高。對于未摻纖維水泥基復(fù)合材料，相比摻加納米CaCO3試件，摻加納米SiO2試件的極限拉伸應(yīng)變和極限拉伸應(yīng)力分別提高了43.5%和10.4%。PVA纖維水泥基復(fù)合材料，相比摻加納米CaCO3試件，摻加納米SiO2試件的極限拉伸應(yīng)變和極限拉伸應(yīng)力分別提高了17.6%和18.5%。因此，相對于納米CaCO3，納米SiO2對水泥基復(fù)合材料抗拉伸性能的增強效果更明顯。

圖4 納米粒子種類對極限拉伸應(yīng)變的影響
Fig.4 Effect of nano-particle types on ultimate tensile strain

圖5 納米粒子種類對極限拉伸應(yīng)力的影響
Fig.5 Effect of nano-particle types on ultimate tensile stress

圖6 不同納米粒子種類時試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves of stress-strain for specimens with different nano-particles types

圖6給出了納米粒子摻量均為2%時，摻不同納米粒子水泥基復(fù)合材料和PVA纖維水泥基復(fù)合材料拉伸試件應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖中曲線可明顯看出，摻加納米SiO2試件的曲線較摻加納米CaCO3試件曲線的線性上升段和下降段均更長，曲線所包絡(luò)面積更大，對于PVA纖維水泥基復(fù)合材料此現(xiàn)象更為明顯。納米粒子的摻入可加速水泥中硅酸三鈣的水化，其效應(yīng)隨著納米粒子細(xì)度和摻量的提高而增加。水泥中的鋁酸三鈣含量有限，納米CaCO3摻量較低時，其化學(xué)活性對水泥及材料強度的影響有限，晶核和填充作用應(yīng)是納米CaCO3提高水泥及材料強度最可能的作用機理。納米CaCO3同納米SiO2一樣具有特殊的納米效應(yīng)及較高的活性，納米粒子所具有的這些納米效應(yīng)可極大地改善水泥基復(fù)合材料的微觀孔結(jié)構(gòu)。較納米CaCO3，納米SiO2粒子具有非穩(wěn)態(tài)無定型結(jié)構(gòu)，因而具有比納米CaCO3更高的活性。納米SiO2較高的活性可使對強度產(chǎn)生不利影響的CH轉(zhuǎn)化成有利于強度發(fā)展的C-S-H凝膠，使水泥石中各種尺寸孔隙的數(shù)量大大減少，提高了硬化后基體的密實度，因而提高了水泥基復(fù)合材料的強度，對水泥基復(fù)合材料抗拉伸性能的改善效果更明顯[18]。

2.3 石英砂粒徑對單軸拉伸性能的影響

圖7和圖8分別給出了納米SiO2摻量為2.0%，PVA纖維體積摻量為0.9%時，不同石英砂粒徑水泥基復(fù)合材料單軸拉伸試件的極限拉伸應(yīng)變和極限拉伸應(yīng)力。從圖中可以看出，石英砂粒徑對單軸拉伸試件的極限拉伸應(yīng)變和極限拉伸應(yīng)力有較大影響。隨著水泥基復(fù)合材料所用石英砂粒徑逐漸減小，試件的極限拉伸應(yīng)變和極限拉伸應(yīng)力均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。石英砂粒徑分別為C和D時，試件極限拉伸應(yīng)變和極限拉伸應(yīng)力分別為最低值，相對于粒徑A，分別降低了16.6%和17.3%。當(dāng)石英砂粒徑由C減小到D時，試件的極限拉伸應(yīng)變有略微增大。隨著石英砂粒徑的逐漸減小，為確保工作性，水泥基復(fù)合材料內(nèi)較細(xì)粒徑的石英砂將消耗更多水量，則水泥水化用水量將減少。水泥基復(fù)合材料內(nèi)部骨料的骨架結(jié)構(gòu)減弱，水泥基復(fù)合材料的強度有一定降低，因而，其極限拉伸應(yīng)力逐漸減小。此外，由于較細(xì)粒徑石英砂比較粗粒徑石英砂表面更為光滑，減弱了石英砂粒子和膠凝材料間的粘結(jié)力，因而，隨著石英砂粒徑減小，拉伸試件極限拉應(yīng)變和拉應(yīng)力逐漸降低。

圖7 石英砂粒徑對極限拉伸應(yīng)變的影響
Fig.7 Effect of particle size of quartz sand on ultimate tensile strain

圖8 石英砂粒徑對極限拉伸應(yīng)力的影響
Fig.8 Effect of particle size of quartz sand on ultimate tensile stress

圖9 石英砂粒徑不同時試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.9 Relation curves of stress-strain for specimens with different particle sizes of quartz sand

圖9給出了納米SiO2摻量為2.0%，PVA纖維體積摻量為0.9%時，石英砂粒徑對單軸拉伸試件應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的影響。從圖9中可看出，石英砂粒徑對單軸拉伸試件抗拉韌性影響較大，隨著石英砂粒徑的減小，整體上試件應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線下降段所包絡(luò)面積逐漸減小，表現(xiàn)出試件的抗拉韌性逐漸降低。試驗中配制水泥基復(fù)合材料所用的四種石英砂，其粒徑對應(yīng)的是粒徑范圍。相對于粒徑范圍較大的三種石英砂，粒徑范圍D所對應(yīng)的石英砂可使水泥基復(fù)合材料的收縮性能相對較高，基體內(nèi)部易產(chǎn)生由收縮引起的微缺陷。而且，相對于粒徑較大的其余三種石英砂，水泥基復(fù)合材料中粒徑較小的石英砂不易形成骨架結(jié)構(gòu)。石英砂粒徑對水泥基復(fù)合材料斷裂性能有較大影響，隨著石英砂粒徑的逐漸減小，水泥基復(fù)合材料的斷裂性能呈現(xiàn)降低的趨勢，這可能是因為裂縫需繞過骨料進(jìn)行擴(kuò)展，大粒徑的石英砂對裂紋路徑的阻礙作用較大，使得裂紋的擴(kuò)展路徑更加曲折，從而裂縫擴(kuò)展時需要消耗更多的能量，而小粒徑的石英砂對裂縫擴(kuò)展的阻礙作用較小[19]。

3 結(jié) 論

(1)納米SiO2的摻加對水泥基復(fù)合材料抗拉伸性能有一定的提高。隨著納米SiO2摻量從0%增大到2.5%，試件極限拉應(yīng)變和極限拉應(yīng)力整體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。納米SiO2摻量對水泥基復(fù)合材料單軸拉伸試件拉伸破壞模式影響不大。

(2)無論水泥基復(fù)合材料中是否摻加PVA纖維，摻加納米SiO2試件的極限拉伸應(yīng)變和極限拉伸應(yīng)力均比摻加納米CaCO3試件要高。相對于納米CaCO3，納米SiO2對水泥基復(fù)合材料和PVA纖維水泥基復(fù)合材料抗拉伸性能的增強效果更明顯。

(3)石英砂粒徑對摻加納米SiO2和PVA纖維水泥基復(fù)合材料抗拉伸性能有較大影響。隨著水泥基復(fù)合材料所用石英砂粒徑逐漸減小，試件的極限拉伸應(yīng)變和極限拉伸應(yīng)力整體上均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。