纳米SiO2及PVA纤维对大掺量粉煤灰水泥砂浆性能的影响

摘要

水泥混凝土是目前使用最广泛的一种建筑材料，其性能直接影响建筑物的寿命和服役能力。由于水泥混凝土是一种典型的脆性材料，抗裂能力低，使得混凝土结构在荷载作用下极易出现裂缝，裂缝的出现不但显著降低结构的承载能力，而且将增加外界腐蚀介质如氯盐、硫酸盐等对混凝土结构耐久性的影响，从而大大缩短结构的使用年限。大量试验研究和工程实践表明，要避免混凝土结构的开裂几乎是不可能的，但却可以通过提高混凝土的韧性进而达到将裂缝宽度控制在无害裂缝允许的范围内。而掺入纤维是提高混凝土韧性的最常用的方法之一，其中PVA纤维由于具有较高的抗拉强度、变形能力以及与水泥有良好的化学相容性等特点，是目前水泥混凝土中应用最为广泛的一种增强材料。
　　另一方面，随着经济的发展和社会的进步，工业废渣日益增多，其中由电厂锅炉燃烧煤粉后所收集到的粉煤灰，若不加以利用，将给环境带来极大的负担。而粉煤灰具有形态效应、活性效应和微集料效应，其能改善混凝土的性能，已经在建筑材料中得到广泛应用。但是目前的研究表明，粉煤灰的掺入会影响混凝土强度的发展，尤其是在掺量较多时，早期强度将显著降低。研究表明，少量的纳米SiO2能激活粉煤灰的活性，进而提高其强度发展速度。
　　本文进一步研究了纳米SiO2和PVA纤维对大掺量粉煤灰水泥砂浆性能的影响，具体内容如下：
　　1）研究了纳米SiO2的掺量（0～4wt.％)对水泥砂浆强度发展（28天、90天和120天龄期）的影响。抗折强度和抗压强度测试结果表明，纳米SiO2的合理掺量范围为0.5～1.5%。并且当纳米SiO2掺量仅为0.5wt.%时，砂浆的28天、90天和120天抗压强度分别提高了37.43%、28.14%、39.93%，而90d和120d的抗折强度分别提高7.29%、16.58%。其次，我们还研究了PVA纤维掺量的影响，28d力学性能试验结果表明，PVA纤维掺量为0.2vol.%、0.5vol.%、1.0vol.%时，抗折强度分别提高了22.26%、46.89%、31.93%，抗压强度分别提高了32.37%、122.60%、129.42%。
　　2）研究了纳米SiO2及PVA纤维的掺量对水泥砂浆断裂韧性的影响，结果表明PVA纤维能显著提高水泥砂浆的断裂韧性，当掺入适量的纳米SiO2后，PVA纤维增韧效果更为显著。单掺0.5vol.%PVA纤维时砂浆的断裂能提高了3.3倍，而复掺0.5wt%纳米SiO2和0.5vol.%PVA时，砂浆的断裂能提高了近6倍。
　　3）研究了纳米SiO2及PVA纤维的掺量对水泥砂浆吸水性能的影响。毛细吸水试验结果表明，PVA纤维的掺入会增加毛细孔吸水系数，在一定范围内，PVA掺量越多，毛细孔吸水系数越大。其中，当PVA纤维掺量为0.5vol.%时，水泥砂浆的毛细孔吸水系数由2.8(g/(m2.h1/2)增加到41.8(g/(m2.h1/2)。适量的纳米SiO2能有效降低PVA/水泥砂浆的毛细孔吸水系数。在0.5vol.%PVA/水泥砂浆中掺入1wt.%的纳米SiO2时，水泥砂浆的毛细吸水系数降低了近2.6倍，由41.8(g/(m2.h1/2)降低到14.9(g/(m2.h1/2)。
　　4）研究了在干湿循环条件下，硫酸盐溶液对纳米SiO2/PVA复合改性水泥砂浆的耐久性能的影响。力学性能、吸水率和变形性能测试结果表明，复合改性水泥砂浆具有良好的耐硫酸盐腐蚀特征。尤为特别的是，经过6次干湿循环后，复合改性水泥砂浆的抗折抗压强度显著增加。
　　5）最后本文还测试了纳米SiO2/PVA复合改性水泥砂浆干缩值，测试结果表明水泥砂浆的干燥收缩主要发生在早期，在第2天到15天干缩值较大，随着养护时间的增加，其干缩值变化逐渐平缓。并且，测试结果表明PVA具有约束水泥砂浆的干缩特性作用。而纳米SiO2会增加水泥砂浆的干燥收缩值。形成这一现象的原因是由于纳米SiO2加速了粉煤灰水化速度，使得起填充作用的球状粉煤灰变成了低密度的C-S-H凝胶，进而增加了水泥砂浆的干缩性。
　　6）微观结构研究表明，纳米SiO2不但能显著提高水泥水化产物的含量，还能改善界面性能，进而使得纳米SiO2不仅能显著提高高掺量粉煤灰水泥砂浆的早期强度和长期性能，而且纳米SiO2还能显著提高PVA纤维的增韧效果、降低PVA改性水泥砂浆的吸水性、增强了PVA改性水泥砂浆的耐硫酸盐腐蚀特性。纳米SiO2/PVA复合改性高掺量粉煤灰水泥砂浆有望在严酷环境混凝土结构中发挥重要作用。