CN110357528A - 一种纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土，属于无机聚合材料领域，该混凝土包括以下原料：骨料150‑180份、水泥40‑45份、减水剂0.1‑4份、粉煤灰5‑10份、水15‑25份，以及1‑5wt％掺量的纳米SiO₂和0.5‑2.5％体积外掺量的钢纤维；本发明在混凝土中掺加特定量的纤维和纳米材料可以制备出新型复合材料—纤维增强纳米混凝土，该混凝土具有延性高，密实性好，耐久性好等特点，符合桥面铺装用混凝土所要求性能。

Description

一种纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土

技术领域

本发明涉及无机聚合材料领域，特别是涉及一种纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土。

背景技术

水泥混凝土作为最广泛的建筑材料，拥有很多其他材料所没有的优点。比如强度高、可加工性好、水稳定性和热稳定性好、原材料资源丰富便于拌制，因此在机场道路，高等级桥梁等方面取得了广泛的应用。在道路应用方面，国外水泥混凝土路面在高等级公路中占有很大的比重，美国达到30％，日本也达到25％，比利时最高达到50％，在使用过程中展现了优良的路用性能并且达到了设计使用寿命。近年来，中国的高等级水泥混凝土路面取得了一定的发展，但是占比仍然很低。在桥梁铺装方面，随着高等级公路的大量建设，桥梁工程发展迅速，截止到2017年底，我国共有公路桥梁83.25万座，5225.62万米，但是桥面铺装大部分采用沥青混凝土，水泥混凝土的优良性质在桥面铺装方面得不到良好的应用。究其原因，主要是因为水泥混凝土自身具有易脆，抗弯拉强度不足等弊端。在使用的过程中，出现了大量的断板，边角破坏等现象，而水泥混凝土路面维修又较沥青路面困难，维修成本高，因此限制了混凝土在高等级公路桥梁铺装层的应用。

在混凝土的早期发展中，人们所关心和研究的重点都在于混凝土的强度问题，人们普遍认为强度高即可以在公路桥梁工程中良好的应用。但是随着对混凝土的研究逐渐深入，同时人们对行车舒适性以及耐久性方面的要求也逐渐提高，此时，国内外学者开始对混凝土的各种路用性能进行研究，主要有抗盐冻、抗冲磨和抗氯离子等。一方面由于早期对水泥混凝土路用性能研究的不够全面和彻底，另一方面人们对严酷环境对混凝土影响的认识不足，建成后不注重养护和维修，导致桥面铺装混凝土出现了大量的问题。

水泥混凝土本身性脆且抗拉强度低的弊端大大限制了其在桥面铺装层中的应用，为了解决这一问题，本发明提出了对混凝土材料进行复合化的方案，制备出了新型桥面铺装用混凝土。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土，在混凝土中掺加钢纤维和纳米SiO₂可以制备出新型复合材料—纤维增强纳米混凝土，该混凝土具有延性高，密实性好，耐久性好等特点，符合桥面铺装用混凝土所要求性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土，包括以重量份计的以下原料：骨料150-180份、水泥40-45份、减水剂0.1-4份、粉煤灰5-10份、水15-25份；

以及，掺量为1-5wt％的纳米SiO₂和体积掺量为0.5-2.5％的钢纤维。

进一步地，所述钢纤维作为体积外掺量掺入。

进一步地，所述骨料包括细集料和粗集料，所述细集料和粗集料的质量比为1：1.3-1.6。

进一步地，所述细集料包括天然河砂、机制砂、石英砂。

进一步地，所述细集料为天然河砂。

进一步地，所述粗集料为粒径为4.75mm到26.5mm的连续级配碎石。

进一步地，所述减水剂为液体高效减水剂。

本发明公开了以下技术效果：

本发明以水泥、粉煤灰及粗细骨料为主要原材料，并掺入不同体积掺量的纳米二氧化硅和钢纤维，最终制备出性能良好的纤维增强混凝土。

纳米材料作为发展迅速的新兴材料，由纳米级粒径的细微颗粒组成，其自身具有良好的填充效应、活性效应、微集料效应，在混凝土中掺入纳米SiO₂，可以填充孔隙，增加混凝土的密实性，提高混凝土早期强度，改善混凝土内部微观结构。钢纤维在混凝土中可起到“桥梁纽带”的作用，限制外力作用下水泥基料中裂缝的扩展。在受荷(拉、弯)初期，混凝土基体与钢纤维共同承受外力，阻止微观裂缝的扩展和宏观裂缝的发生；当基料发生开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者，阻止宏观裂缝的进一步发展。纤维材料的加入极大提高了水泥混凝土的抗弯拉性能，解决了混凝土易脆的缺点，同时也提高了混凝土抗冻，抗渗等性能。在普通混凝土中同时掺加钢纤维和纳米SiO₂可配制出既具有良好力学性能，又具有较高耐久性的桥面铺装用混凝土。

附图说明

图1为本发明实施例3纳米SiO₂和钢纤维增强混凝土成型工艺图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土原料

本发明中制备纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土的原料主要有级配良好的碎石、河砂、水泥、纳米SiO₂、钢纤维、高效减水剂、粉煤灰和水，所用原材料各项技术指标都符合要求，具体参数和检测指标如下：

(1)水泥

本发明试验研究使用的水泥为山东鲁城水泥有限公司生产的P·I42.5旋窑硅酸盐水泥，其主要技术指标检测值如表1所示：

表1 水泥主要技术指标

(2)粉煤灰

本发明试验研究使用的粉煤灰为一级粉煤灰，各项检测指标如表2所示：

表2 粉煤灰主要技术指标

(3)细集料

建筑材料用细集料主要有天然河砂、机制砂、石英砂。本发明所配制混凝土为高性能混凝土，所以选用细集料为级配良好的天然河砂，其主要物理指标见表3：

表3 河砂主要技术指标

(4)粗集料

粗骨料即在混凝土中起到骨架或者填充作用的各种级配碎石，卵石的总称。在混凝土中粗骨料的占比很大，最大可以达到75％以上，因此粗骨料的各种性能直接影响到新拌混凝土的各种性能，在本发明中选用粒径为4.75mm到26.5mm的连续级配碎石，其主要检测指标如表4：

表4 级配碎石主要技术指标

(5)减水剂

减水剂作为混凝土外加剂的一种，在混凝土中通过分散作用、润滑作用、空间位阻作用和接枝共聚支链的缓释作用改善混凝土的工作性能，减少用水量，减少水泥用量。减水剂的种类较多，也有多种分类方法。根据其减水效果可以分为普通减水剂和高效减水剂，根据其形态，可以分为液体和粉状。根据除减水之外的作用也可分为早强型，缓凝性，引气型等。随着混凝土技术的提升和对混凝土要求的提高，减水剂已经成为混凝土中不可缺少的成分。本发明选用减水剂为液态高效减水剂，产品质量符合国家标准，其主要技术指标如表5：

表5 减水剂主要技术指标

(6)水

本发明用水为郑州市自来水，水样检测结果符合混凝土用水要求，各项检测结果见表6：

表6 水主要指标检测结果

(7)钢纤维

纤维材料种类繁多，在建筑领域应用广泛，其中以钢纤维应用最多。建筑用钢纤维主要是指以切断钢丝，冷轧剪切，钢锭铣削以及钢水冷凝四种方法制备的长径比在一定范围内的纤维。本发明试验采用郑州禹建钢纤维公司生产的铣削型钢纤维，各项技术指标如表7：

表7 钢纤维主要技术指标

(8)纳米二氧化硅

本发明采用浙江杭州万景新材料公司生产的纳米SiO₂，其主要技术参数如表8：

表8 纳米SiO₂主要技术指标

实施例2纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土配合比设计

本发明试验是在混凝土中掺加纳米SiO₂和钢纤维，研究二者掺量对混凝土路用性能的影响，其中包括基本力学性能，抗冲击性能，抗氯离子渗透性能，抗冻性能。根据研究设计，选择固定水胶比，砂率，只单一改变纳米SiO₂掺量和钢纤维掺量。

本发明试验根据混凝土配合比设计规程，设计基准混凝土抗压强度等级为C45。纳米SiO₂按照1％、2％、3％、4％、5％的比例等质量取代水泥；保持纳米SiO₂掺量为3％,钢纤维按照0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％的比例作为体积外掺量掺入混凝土。

每立方米混凝土中各材料的用量如表9。

表9 1m³混凝土材料表、

表9中试验编号AB-CD的意义为：前两位AB代表纳米SiO2的掺量，后两位CD代表钢纤维的掺量。例如03-15的意思为纳米SiO2掺量为3％，钢纤维掺量为1.5％的混凝土。

实施例3纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土的制备工艺

混凝土是由水泥、砂、石、水、外加剂按一定比例拌合而成的，影响其强度和其他性能的原因主要有两个方面。其一是原材料的质量，上文已经对所用原材料进行检验，所用原材料合格；其二则是混凝土施工工艺及过程控制，也是试验成功与否的关键。钢纤维和纳米SiO₂增强混凝土制备过程中，纳米SiO₂和钢纤维的均匀分散是确保混凝土质量的关键点，也是混凝土具备优良特性的基础。

为了保证纤维和纳米材料的均匀分散，需要选择合适的掺入方式和顺序。对于本发明所用钢纤维，为保证其均匀分散，选择在干拌最后阶段加入搅拌机，同时增加搅拌时间。对于纳米SiO₂，其掺入方式主要有两种：一种是将纳米材料、水泥、粉煤灰等混合，按照胶凝材料的掺入方式掺入，同时延长搅拌时间；另一种是拌制前，先将纳米材料加入水中进行搅拌，混合均匀，然后加入搅拌机混合料中。多次试配结果表明，在第二种方法的基础上，将纳米材料和减水剂一起加入水中进行搅拌，混合均匀，之后随水一起加入混凝土中，不仅能获得较好的分散效果，而且减少了搅拌机内壁对纳米材料的粘附。

本发明混凝土的搅拌采用强制型卧式搅拌机，拌制流程为：先将纳米SiO₂和高效减水剂加入水中，搅拌均匀。对搅拌机进行湿润后，加入粗骨料和细骨料搅拌60s，接着加入水泥和粉煤灰搅拌60s，然后将钢纤维沿搅拌机叶轮转动方向均匀掺入，经搅拌30s后加入纳米材料、减水剂和水的混合物,具体拌制过程如图1所示。

根据上述方案，本发明纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将纳米SiO₂和高效减水剂加入部分水中，搅拌均匀，备用；

(2)对搅拌机进行湿润后，加入粗骨料和细骨料搅拌60s，接着加入水泥和粉煤灰搅拌60s，然后将钢纤维沿搅拌机叶轮转动方向均匀掺入，经搅拌30s后加入纳米材料、减水剂和部分水的混合物，搅拌60s，加入剩余水，搅拌60s，即得纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土。

将混凝土拌合物装入预先准备好的试模中，在振动台上振捣密实，经抹面后水平放置在常温处，24小时后脱模，如遇低温天气适当延长脱模时间，用记号笔标记后将试块放置在标准养护室中进行养护，待达到试验龄期后取出进行试验。

实施例4纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土试验

本文试验拟选用纳米SiO₂和钢纤维配制混凝土，采用五种纳米SiO₂掺量(1％、2％、3％、4％、5％)，五种钢纤维体积掺量(0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％)，通过基本力学性能试验、抗冲击试验、氯离子渗透试验、单面冻融试验，研究纳米SiO₂和钢纤维对混凝土路用性能的影响，并探究相应的影响规律和机理。具体试验内容及试块数量根据试验规程确定，如表10所示表10 试验内容

关于本发明的技术指标的测定方法均为本领域内使用标准方法，具体可参见最新的国家标准，除非另外说明。

1、抗压强度试验

本试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行试验。

抗压强度试验结果及分析：

根据上述试验方法，对掺有纳米SiO₂和钢纤维的混凝土进行抗压强度测定。本组试验有11组配合比，每组配合比3个试件，共33个试件，经测试其破坏荷载和测量尺寸后计算得抗压强度如表11所示：

表11 立方体抗压强度

纳米SiO₂对混凝土抗压强度的影响：在混凝土中掺入纳米SiO₂，抗压强度整体是提高的。从具体数量关系上分析，当纳米SiO₂掺量从0增长到3％时，抗压强度从45.3MPa增长到最高的52.3MPa，相对增长了15.5％。当纳米SiO₂掺量从3％增长到5％时，立方体抗压强度从最高的52.3MPa下降到48.7MPa，抗压强度呈现下降的趋势，但是较基准混凝土强度仍然提高了7.5％。

根据上述对混凝土抗压强度的分析可知，在试验掺量范围内，纳米SiO₂对混凝土抗压强度有一定的增强作用。随着纳米SiO₂掺量的增加，混凝土的抗压强度呈现先增长后下降的变化规律，且掺量为3％时抗压强度最大。纳米SiO₂粒子尺寸较小，具有微集料填充效应，当掺量较小时能够填充混凝土内部的微小孔隙，起到增加混凝土密实度的作用，从而提高混凝土强度。同时，纳米SiO₂加入混凝土后可以与混凝土中水泥水化产生的氢氧化钙反应，生成胶结能力更强的C-S-H，改善混凝土内部固有缺陷，提高混凝土强度。当掺量超过3％后，随着纳米SiO₂掺量的增加，一方面纳米材料在混凝土中团聚，在混凝土内部形成局部的质量缺陷点，从而导致混凝土强度不升反降。另一方面，纳米粒子比表面积较大，具有较强的吸水性，过量的纳米SiO₂吸收了原本属于水泥水化需要的水，导致水泥水化不够充分，从而致使混凝土强度降低。钢纤维对纳米混凝土抗压强度的影响：在纳米混凝土中加入钢纤维，抗压强度整体是提高的。随着钢纤维掺量从0.5％增长到2.5％，抗压强度呈现先增加后降低的影响规律，2.0％掺量钢纤维的纳米混凝土抗压性能最优。钢纤维掺量从0增长到2.0％时，纳米混凝土的抗压强度从52.3MPa增加到最大的62MPa，增加幅度达到18.5％。当钢纤维掺量从2.0％继续增大时，纳米混凝土的抗压强度从62MPa降低到56.7MPa，但是较不掺钢纤维的纳米混凝土，其抗压强度仍然提高了8.4％。从试验过程中对试件破坏过程的观测可知，随着钢纤维的加入，试件破坏时脆性声音逐渐减弱，破坏形式显著改变，当试件破坏时，钢纤维掺量为2.0％的试件坏而不碎，其试件完整性远好于钢纤维掺量为0.5％的试件。

在上述实验设计中，钢纤维能够提高混凝土的抗压强度主要体现在两个方面，一方面钢纤维加入混凝土中呈现乱向分布状态，相当于将混凝土基体划分为许多组成单元，钢纤维形成的网格结构不仅可以增加这些网格单元的密实度，同时还提高了各个组成单元的联系性，减少混凝土天然内部缺陷；另一方面钢纤维的作用体现在破坏初期，当混凝土受压产生裂缝直到基体承压失效时，钢纤维可以继续承受该处的荷载，提高混凝土的抗压强度。随着钢纤维掺量的继续增加，过量的钢纤维在纳米混凝土内部难以分散，一方面使混凝土内部空隙变大，数量增多，钢纤维和混凝土基体联结作用减弱，最终导致混凝土内部缺陷增多，承压能力下降。

2、抗折强度试验

混凝土在桥面铺装层应用中，抗折强度是限制其使用寿命的重要因素，因此对纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土抗折强度进行研究具有重要意义。本试验参考《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行。

抗折强度试验结果及分析：

混凝土抗折试验共有11组配合比，每组配合比3块试件，按照上述试验方法进行试验后，经计算得到的纳米SiO₂和钢纤维增强混凝土抗折强度值如表12所示：

表12 混凝土抗折强度

纳米SiO2对混凝土抗折强度的影响：从数值上分析，当纳米SiO₂掺量从1％增长到5％时，其抗压强度分别从6.69MPa增长到7.9MPa、7.9MPa、8.43MPa、8.86MPa、8.1MPa、7.64MPa，较基准混凝土依次增长了13.5％，21.1％，27.3％，16.4％，9.8％。纳米SiO₂掺量为3％的混凝土的抗折强度最高，抗折强度达到8.86MPa，较基准混凝土提高了27.3％。尽管在试验设计掺量范围内，纳米SiO₂的加入使混凝土抗折强度的变化呈现先增大后减小的规律，但整体上提高了混凝土的抗折强度，其增强效果明显。纳米SiO₂加入混凝土中会产生晶核效应和钉扎效应，可以参与水化反应生成C-S-H凝胶，阻碍裂缝的发展，起到增强增韧的作用。

钢纤维对纳米混凝土抗折强度的影响：钢纤维体积掺量在0和2.5％之间时，随着钢纤维掺量的增加，抗折强度呈现先增大后减小的变化规律。掺量为1.5％的纳米混凝土抗折强度最大，达到10.64MPa，较基准纳米混凝土强度提高了1.78MPa，提高了20.1％，增韧效果明显。当钢纤维掺量大于1.5％时，随着钢纤维掺量的进一步增加，纳米混凝土的抗折强度开始下降，当掺量增加到2.5％时，纳米混凝土抗折强度反而比未掺钢纤维的纳米混凝土下降了0.17 MPa。

综上，由试件抗折强度变化规律和破坏形态的分析可知，一定掺量的钢纤维可以显著提高纳米混凝土的抗折性能，改善纳米混凝土的破坏形态，保证混凝土试件破坏时的相对完整性。然而过量的钢纤维影响了纳米混凝土的和易性，使钢纤维分散不均匀，增加了纳米混凝土拌合和振捣过程中产生缺陷的可能性，最终导致纳米混凝土抗折性能的下降。

3、劈裂抗拉强度试验

混凝土抗拉强度是混凝土基本力学性能之一，桥面铺装用混凝土的路用性能中，其抗拉强度是较重要的性能参数。混凝土抗拉强度分为直接抗拉强度和劈裂抗拉强度两种，由于直接抗拉强度测试对试验条件要求较高，一般以劈裂抗拉强度作为评价指标，故本试验研究采用混凝土的劈裂抗拉强度作为抗拉强度。本抗拉强度试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行。

劈裂抗拉强度试验结果及分析：

本试验主要研究纳米SiO₂掺量和钢纤维掺量对混凝土抗折强度的影响，试验共有11个配合比，每个配合比3个试件，按照规范的要求制作，养护，处理试件，在28d养护龄期后及时测试试件的劈裂抗拉强度，每组中取三个试件强度值的算数平均值作为劈裂抗拉强度，测试结果如表13所示：

表13 混凝土劈裂抗拉强度

纳米SiO₂对混凝土劈裂抗拉强度的影响：

根据表13，以未掺加纳米SiO₂的混凝土劈裂抗拉强度为基准，计算每个配合比混凝土与基准混凝土的劈裂抗拉强度比，其值如表14所示：

表14 混凝土抗拉强度比

可知，纳米SiO₂掺量的增加，混凝土劈裂抗拉强度比曲线成驼峰型，劈裂抗拉强度呈先增大后减小的趋势，纳米SiO₂的加入整体上提高了混凝土的抗拉强度。具体分析，纳米SiO₂在本试验掺量范围内，当掺量从0增长到5％时，混凝土劈裂抗拉强度比在0.95到1.19之间，当纳米二氧化硅掺量为2％时，混凝土劈裂抗拉强度达到最大4.51MPa，增幅为19％。当掺量大于2％时，随着纳米SiO₂掺量的增加，混凝土劈裂抗拉强度出现下降的趋势。当纳米SiO₂掺量增大到5％时，纳米混凝土的劈裂抗拉强度降低到3.6 MPa，与基准混凝土相比降低了5％，因而，过量的纳米SiO₂降低了混凝土抗拉性能。

钢纤维对纳米混凝土劈裂抗拉强度的影响：

混凝土试件在标准养护室养护28d后测试其劈裂抗拉强度，以未掺加钢纤维的纳米混凝土劈裂抗拉强度为基准，计算每个配合比与基准纳米混凝土的劈裂抗拉强度比值表，其值如表15所示。

表15 混凝土劈裂抗拉强度比

随着钢纤维体积掺量的变化，纳米混凝土劈裂抗拉强度比在1.00-1.78之间，钢纤维掺量对纳米混凝土劈裂抗拉强度影响效果明显，仅0.5％体积掺量的钢纤维就能提高纳米混凝土抗拉强度18％。当钢纤维体积掺量为1.5％时，纳米混凝土劈裂抗拉强度达到7.1MPa，增幅达到78％。随着钢纤维体积掺量继续增大，当大于1.5％后，纳米混凝土抗拉强度开始下降。当钢纤维体积掺量增加到2.5％时，抗拉强度较最大值下降了1.56MPa，但仍高于未掺钢纤维的纳米混凝土，增幅为39％。同时，未掺钢纤维的纳米混凝土在荷载作用下破坏时，试件从中心位置分裂成两半，形成断裂式破坏。掺钢纤维的纳米混凝土试件在劈裂荷载作用下破坏时，试件侧面有可见的裂缝出现，但是试件整体较完整，没有断裂式破坏特征。可知，一定掺量的钢纤维不仅可以显著提高纳米混凝土的劈裂抗拉强度，同时还可以改善纳米混凝土的破坏形态，使纳米混凝土构件破坏时保持完整性，减少崩脆性断裂破坏的产生。

4、抗冲击试验

桥面铺装混凝土不仅承受着静载，要求具有较高的抗压、抗拉强度，同时也还受到震动荷载的冲击，比如汽车制动力荷载、风荷载、桥下水流冲击作用、桥下水面轮船的撞击等，这就要求桥面铺装混凝土材料还要具有良好的抗冲击性能。由于材料在经受高速的动载冲击时，性能会受到高速的冲击而发生改变，破坏形式和静载破坏有很大的不同，简单的静载试验或者等幅加载试验反映不了其真实的损伤特性，必须通过冲击试验才能评价其抗冲击性能。因此研究纳米SiO₂和钢纤维增强混凝土抗冲击性能具有重要的意义，不仅可以探索混凝土冲击破坏机理，同时还可以揭示纳米SiO₂掺量和钢纤维掺量对混凝土抗冲击性能的影响。

试验方法分为两类：低速冲击试验法和高速冲击试验法，而低速冲击试验法又分为摆锤冲击试验法、落锤式冲击试验法、类落锤式冲击试验法，高速冲击试验法又分为霍普金森压杆法、射弹冲击试验法。本发明试验依据《纤维混凝土试验方法标准》进行。

抗冲击试验结果及分析：

抗冲击试验设置11个配合比，其中1组为普通混凝土对照组，5组为掺加纳米SiO₂混凝土(掺量依次为1％、2％、3％、4％和5％、)，5组为固定纳米SiO₂掺量3％，且同时掺加钢纤维混凝土(体积掺量依次为0.5％、1.0％、1.5％、2.0％和2.5％、)。因抗冲击试验数据离散性较大，故每组配合比取试件5个，去掉最大值和最小值，取剩余三个试验数据的算数平均值并四舍五入取整作为评价纳米SiO₂和钢纤维增强混凝土抗冲击性能的最终结果，列表16所示：

表16 纳米SiO₂和钢纤维增强混凝土抗冲击试验结果

纳米SiO₂对混凝土抗冲击性能的影响：纳米SiO₂在一定掺量范围内，随着掺量的增加，混凝土初裂冲击次数和破坏冲击次数均呈现先增加后降低的变化趋势，纳米SiO₂整体上提高了混凝土的抗冲击性能。纳米SiO₂掺量为2％时，其初裂和破坏冲击次数达到最大的37次和40次，分别相对基准混凝土提高了23.3％和29％。当纳米SiO₂掺量大于2％时，混凝土初裂冲击次数和破坏冲击次数开始下降，当掺量为5％时，混凝土初裂冲击次数和破坏冲击次数均降低为27次，较基准混凝土分别下降10％和12.9％，试件在发生破坏前未发现裂缝产生，表明过量的纳米SiO₂不仅不能提高混凝土的抗冲击能力，反而降低其抗冲击性能。混凝土试件的冲击能差随纳米SiO₂掺量的增大呈现先增大后减小的趋势，当纳米SiO₂掺量为2％时达到最大值。随着纳米SiO₂掺量变化，混凝土冲击能差在0到150J之间变化，最大冲击能差仅为150J，表明纳米SiO₂能够提高混凝土的初裂抗冲击性能，但是初裂后，继续储能能力没有明显的提高，从初裂到破坏比较迅速，没有改变混凝土易脆的特点，试件的冲击破坏形态也证实了该结论。纳米混凝土试件受冲击后也是沿冲击方向断裂成两半，表明纳米SiO₂的加入，没有改善混凝土试件的冲击破坏形态，掺纳米SiO₂混凝土试件仍然表现出普通混凝土的脆性破坏。

钢纤维对纳米混凝土抗冲击性能的影响：随着钢纤维体积掺量的增加，纳米混凝土初裂冲击次数和破坏冲击次数均呈现先增大后减小的趋势。当钢纤维掺量从0等幅增加到2.5％时，纳米混凝土初裂冲击次数分别由32次增加到43次、52次、62次、66次和58次，破坏冲击次数分别由32次增加到51次、64次、78次、86次和68次，钢纤维体积掺量为2％掺量的纳米混凝土初裂和破坏冲击次数最大，相对于未掺钢纤维的基准纳米混凝土分别提高了106.3％和168.7％，钢纤维的加入显著地增强了纳米混凝土的抗冲击性能。但是，当钢纤维超过2％最优体积掺量时，随着钢纤维体积掺量的继续增大，纳米混凝土无论是初裂冲击次数还是破坏冲击次数均开始下降，但仍高于未掺钢纤维的纳米混凝土，这表明过量的钢纤维不利于纳米混凝土抗冲击性能的提高。钢纤维以体积外掺的方式加入到混凝土中，具有粗骨料的作用。少量的钢纤维在混凝土中可以均匀分布，形成网格状的结构，在混凝土开裂之前，减少初始裂缝的产生，提高密实度，在混凝土开裂之后，可阻止裂缝的进一步发展，增强混凝土基体。而过量的钢纤维在混凝土中不易均匀的分散，同时其类似粗骨料作用导致胶凝材料相对不足，增加了混凝土内部缺陷，从而致使混凝土抗冲击性能降低。

研究钢纤维掺量对掺3％纳米SiO₂混凝土冲击能差影响的规律，可知，钢纤维体积掺量从0增加到2.5％时，纳米混凝土破坏与初裂冲击能差分别为0、400J、600J、800J、1000J、500J，当钢纤维掺量为2.0％时，冲击能差达到最大值。这表明钢纤维的加入使纳米混凝土在初裂以后能够继续承受冲击，吸收能量，储能能力大幅提升。混凝土试件在受荷初期，混凝土基体和钢纤维一起受力耗能，随着裂缝的产生，横跨裂缝的钢纤维在基体内起到桥接的作用，提高了混凝土抗冲击能力。

从掺钢纤维纳米混凝土和未掺钢纤维纳米混凝土冲击破坏形态，可知，未掺加钢纤维的纳米混凝土破坏时完全断裂，而掺加了钢纤维的纳米混凝土破坏时试件相对完整，仅产生未贯穿试件上下表面的裂缝，在试件裂缝处明显可见横跨裂缝的钢纤维，表明试件虽然产生裂缝，但是内部整体结构仍然没有破坏。同时观察试件表面，掺钢纤维的纳米混凝土在主裂缝附近有明显可见的多条细裂缝。可见，钢纤维的加入分散了冲击的力度，使混凝土试件应力分布更为均匀，表现出明显的韧性破坏特征。

5、抗氯离子试验

抗氯离子渗透性是评价混凝土抵抗氯盐侵蚀特征的一种，是影响桥面铺装混凝土路用性能的重要因素，关系到混凝土桥面铺装能否在恶劣服役环境中长期安全的使用。国内外专家学者经过广泛的调查研究认为：绝大多数混凝土结构的破坏是由于氯离子侵入到混凝土钢筋表面，并达到一定临界浓度时引起的钢筋锈蚀所致。如果将钢纤维和纳米材料共同掺入混凝土中，其抗氯离子渗透性能如何？钢纤维和纳米SiO₂掺入混凝土中，其掺量的变化对混凝土抗氯离子渗透性能的影响有何规律？其最优掺量是多少？在桥面铺装层中采用纳米SiO₂和钢纤维增强混凝土时，这些问题必须得到合理的解决。因此本发明将对纳米SiO₂和钢纤维增强混凝土的抗氯离子渗透性能进行试验研究，并通过试验结果分析，得出纳米SiO₂和钢纤维掺量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响规律。

本发明试验采用RCM法测试混凝土的抗氯离子渗透性能，RCM法即快速氯离子迁移系数法，也称快速氯离子扩散系数法，是通过测量混凝土中氯离子非稳态迁移系数来评定混凝土抗氯离子渗透性能的方法。具体方法根据交通部JTG/T B07-01-2006《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》，以及住建部GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。

试验结果及分析：本文试验采用直径为100mm，厚度为50mm的圆柱形试件，试验分为11组，每组3个试件，共33个试件，计算后氯离子扩散系数如表17所示。

表17 纳米SiO₂和钢纤维增强混凝土氯离子扩散系数

纳米SiO₂对混凝土抗氯离子渗透性能的影响：分析纳米SiO₂掺量对混凝土氯离子扩散系数影响的规律，可知，混凝土氯离子扩散系数随着纳米SiO₂掺量的增加呈现先减小后增大的变化趋势，即混凝土的抗氯离子渗透性能随着纳米SiO₂掺量的增加呈现先增大后减小的趋势。当纳米SiO₂掺量为2％时，氯离子扩散系数达到最小值，混凝土抗氯离子渗透性能最好，纳米SiO₂掺量为2％的纳米混凝土氯离子扩散系数较基准混凝土减小了68.3％。当纳米SiO₂掺量大于2％后，继续增加纳米SiO₂掺量，混凝土氯离子的扩散系数逐渐增大，当纳米SiO₂掺量分别增加为3％、4％和5％时，混凝土氯离子扩散系数分别较纳米SiO₂掺量为2％的混凝土氯离子扩散系数增大了34.6％、53.8％和150％，但是较基准混凝土氯离子扩散系数仍然分别减小了57.3％、51.2％和20.7％。

上表纳米SiO₂掺量对混凝土氯离子扩散系数的影响规律表明，在一定的掺量范围内，纳米SiO₂的掺入能够显著降低混凝土氯离子扩散系数，提高混凝土抗氯离子渗透性能。混凝土中的孔隙分为四类，孔径小于20nm的无害孔、孔径大于20nm且小于50nm的少害孔、孔径大于50nm且小于200nm的有害孔和孔径大于200nm的多害孔。混凝土中孔径大于100nm的孔隙将显著降低混凝土的基本力学性能和抗渗透性能。在混凝土中加入纳米SiO₂，能改善混凝土的孔隙率，降低混凝土原生孔隙的产生和孔径的大小，增加混凝土密实度，从而提高混凝土的抗氯离子渗透性能。同时通过改进混凝土拌制工艺，发挥粉煤灰协同作用，纳米SiO₂的分散更加充分，纳米SiO₂晶核效应可吸附粉煤灰形成较大的团聚体填充混凝土的较大孔隙，可使多害孔大量减少，有害孔向无害孔转化，无害孔大量增加，提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

钢纤维对纳米混凝土抗氯离子渗透性能的影响：根据表17分析钢纤维掺量对掺3％纳米SiO₂混凝土氯离子扩散系数的影响规律，可知，随着钢纤维体积掺量的变化(0、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％和2.5％)，纳米混凝土氯离子扩散系数依次为3.5、3.4、3.2、2.9、3.4和4.8，整体呈现先减小后增大的变化规律，且1.5％体积掺量钢纤维的纳米混凝土氯离子扩散系数最小，较未掺钢纤维混凝土降低了17.1％，其抗氯离子渗透性能最优。在钢纤维体积掺量小于1.5％时，随着钢纤维体积掺量的增加，纳米混凝土氯离子扩散系数不断减小。在钢纤维体积掺量较小情况下，钢纤维体积掺量对纳米混凝土的抗氯离子扩散系数整体上影响不是太明显。当钢纤维体积掺量超过1.5％继续增大时，纳米混凝土氯离子扩散系数逐渐增大，纳米混凝土氯离子渗透系数增大幅度较明显。当钢纤维掺量为2.0％时，纳米混凝土氯离子扩散系数已经增大为3.4，与未掺钢纤维的纳米混凝土几乎持平，与1.5％钢纤维体积掺量时相比增大了17.2％。当钢纤维体积掺量为2.5％时，纳米混凝土氯离子扩散系数已经增大为4.8，较未掺钢纤维的纳米混凝土增大了37.1％，与1.5％钢纤维体积掺量时相比增大了65.5％，说明过量的钢纤维显著降低了纳米混凝土的抗氯离子渗透性能。

上述钢纤维掺量对纳米混凝土扩散系数的影响表明，当钢纤维体积掺量较低时，钢纤维的掺入对纳米混凝土抗氯离子渗透性能的影响不大，当体积掺量为1.5％时抗氯离子渗透性能最优。但是当钢纤维体积掺量超过最佳掺量以后，过量钢纤维的加入，显著降低了纳米混凝土抗氯离子渗透性能。混凝土在浇筑以后，由于自身和环境的影响，会滋生很多的孔隙和裂缝为氯离子渗透提供通道，降低混凝土的密实性。纳米混凝土中加入钢纤维，一方面能够改善混凝土的微观结构，减少孔隙率，减少氯离子渗透的通道，提高纳米混凝土抗氯离子渗透性能。一方面过量的钢纤维加入，增加了混凝土内部的裂缝数量，致使氯离子通过这些裂缝渗透进入混凝土内部，降低了混凝土抗氯离子渗透性能。

6、冻融试验

混凝土冻融破坏是指混凝土在高温和低温交替变化过程中发生剥落，动弹性模量降低直至破坏的现象。混凝土盐冻破坏的机理过程非常复杂，与普通水引起的冰冻破坏相比，由于盐的存在引起的冰冻破坏，不仅包含了物理破坏，还有化学破坏。物理破坏指盐的存在增加了混凝土的保水能力，使混凝土内部渗透压增大，加剧了混凝土的破坏。化学破坏是指除冰盐可以和活性骨料发生碱骨料反应，氯化钙和氢氧化钙发生反应生成复盐，破坏了C-S-H凝胶的状态，促进混凝土表面剥落，破坏混凝土的抗冻性。自从意识到混凝土的冻融破坏可产生严重后果以来，各国学者针对混凝土冻融破坏做了大量的研究。纳米SiO₂和钢纤维掺入混凝土后，对混凝土的耐久性有较大的影响，但是纳米SiO₂和钢纤维对盐冻破坏的影响及相关机理不明确，鉴于此，本发明将通过混凝土单面冻融试验，研究纳米SiO₂和钢纤维对纳米SiO₂和钢纤维增强混凝土抗冻性能的影响，并分析其影响机理。

本发明试验采用单面冻融试验法。

冻融试验结果及分析：

本文试验设计配合比为11组，每组5个试件，分别测试混凝土0次、4次、16次、28次冻融循环后的相对动弹性模量，取5个试件的平均值作为相对动弹性模量测试值，试验结果如表18所示：

表18 混凝土相对动弹性模量

纳米SiO₂对混凝土抗冻性能的影响：从表18分析不同掺量纳米SiO₂对混凝土不同冻融循环次数后相对动弹性模量的影响规律，可知，对于同一配合比试件，随着冻融循环次数的增加，混凝土相对动弹性模量逐渐下降，同时由曲线斜率可以观察到下降的幅度呈现逐渐加大的趋势。以纳米SiO₂掺量为5％的混凝土试件为例，当冻融循环次数为4次时，相对动弹性模量只下降了不到10％，而当冻融循环次数达到28次时，相对动弹性模量已经下降到60％以下，说明混凝土相对动弹性模量随着冻融循环次数的增加急速下降，而不是线性下降。对于不同配合比试件，纳米SiO₂掺量从0增加到5％，相同冻融循环次数后，混凝土的相对动弹性模量先增大后减小，混凝土抗冻性能先提高后降低，当纳米SiO₂掺量为2％时，相对动弹性模量最大，表明此配合比混凝土抗冻性能最优。当纳米SiO₂掺量超过2％时相对动弹性模量呈现下降的趋势，特别是当纳米SiO₂掺量为5％时，混凝土冻融循环后相对动弹性模量均低于未掺纳米SiO₂混凝土，表明过量的纳米SiO₂会降低混凝土的抗冻性能。

在混凝土冻融循环初期，一方面内部尚未产生冻融破坏，微裂缝扩展较小。另一方面，早期冻融循环过程中结冰水的产生会挤压混凝土，增加混凝土的密实度，提高混凝土的相对动弹性模量，而表18试验数据结果也表明，4次冻融循环后，混凝土的相对动弹模量均在90％以上。随着冻融循环次数的增加，混凝土内部出现损伤，裂缝发展迅速，大量的孔隙水产生挤压力使混凝土受到损伤。纳米SiO₂掺入后，其细微的纳米粒子可填充混凝土内部孔隙，同时，SiO₂参与水泥水化生成的C-S-H凝胶微粒也可起到填充作用，最终使混凝土内部结构更加密实，因而适量纳米SiO₂可提高混凝土的抗冻性能。而过量纳米SiO₂的加入由于团聚或未能充分参与水化，反而增加了混凝土的孔隙率，降低混凝土抗冻性能。

钢纤维对纳米混凝土抗冻性能的影响：钢纤维的加入能增加纳米混凝土的相对动弹性模量，显著提高其抗冻性能。在试验设计掺量范围内，随着钢纤维体积掺量的增加，纳米混凝土相对动弹性模量先增大后减小，当掺量为1.5％时，纳米混凝土相对动弹性模量最大，表明此配合比混凝土抗冻性能最佳。当掺量大于1.5％时，随着钢纤维体积掺量的增加，纳米混凝土的相对动弹性模量开始降低，并且随着冻融循环次数的增加，抗冻性能呈现急剧下降的趋势。

根据1.5％体积掺量钢纤维的纳米混凝土和2.5％体积掺量钢纤维的纳米混凝土经受28次冻融循环后的试件外观，可明显观察到1.5％掺量钢纤维的纳米混凝土表面剥落量更少，外观更加完整。适量钢纤维的加入不仅可以提高纳米混凝土的抗冻性能，同时还可以提升纳米混凝土破坏时的外观完整性。掺入的钢纤维在混凝土内部与基体相互粘结，阻碍了混凝土内部裂缝的发生和扩展，降低了孔隙率。同时钢纤维在纳米混凝土经受孔隙水结冰挤压作用时，能够起到承载压力作用，抑制裂缝的进一步扩展。过量的钢纤维则增加了混凝土内部的原生缺陷，促使水分通过钢纤维孔隙进入混凝土内部，造成混凝土由内到外的损伤。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土，其特征在于，包括以重量份计的以下原料：骨料150-180份、水泥40-45份、减水剂0.1-4份、粉煤灰5-10份、水15-25份；

以及，掺量为1-5wt％的纳米SiO₂和体积掺量为0.5-2.5％的钢纤维。

2.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土，其特征在于，所述钢纤维作为体积外掺量掺入。

3.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土，其特征在于，所述骨料包括细集料和粗集料，所述细集料和粗集料的质量比为1：1.3-1.6。

4.根据权利要求3所述的纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土，其特征在于，所述细集料包括天然河砂、机制砂、石英砂。

5.根据权利要求4所述的纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土，其特征在于，所述细集料为天然河砂。

6.根据权利要求3所述的纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土，其特征在于，所述粗集料为粒径为4.75mm到26.5mm的连续级配碎石。

7.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土，其特征在于，所述减水剂为液体高效减水剂。