纳米二氧化硅与钢纤维对混凝土性能及微观结构表征的耦合效应

《Scientific Reports》：Coupling effects of nano-silica and steel fibers on concrete performance and microstructural characterization

　　

摘要

本研究考察了钢纤维增强与纳米二氧化硅（NS）添加对混凝土渗透性和力学性能的耦合效应。首先，将不同长度的端钩型钢纤维（记为D）和剪切波纹型钢纤维（记为B）掺入混凝土混合料中，以评估其对水渗透性的影响，目标是确定能产生最佳不透水性的纤维几何形状和尺寸。实验结果表明，掺入任一类纤维均能有效提高混凝土的抗水渗透能力；在所有测试组合中，D50（50 mm长的端钩型钢纤维）和B40（40 mm长的剪切波纹型钢纤维）表现出最显著的改善效果，其渗透率分别较未掺纤维的素混凝土（PC）降低了33.33%和25%。随后，将D50和B40纤维与不同掺量的NS结合，以研究纤维与NS添加对混凝土力学行为的耦合效应。试验采用正交实验设计，纤维掺量（按体积）为1%、1.5%和2%，NS掺量（按胶凝材料质量）为0.5%、1%和1.5%。结果表明，当纤维掺量为2%、NS掺量为1%时，力学性能的改善最为显著。在此最优配比下，端钩型钢纤维增强混凝土（E-S）的抗压强度提升幅度与剪切波纹型钢纤维增强混凝土（S-W）相当；然而，E-S的劈裂抗拉强度和抗折强度则显著优于S-W。从微观结构角度，通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析，进一步阐明了钢纤维与NS对混凝土性能产生耦合作用的内在机理。本研究结果为进一步理解纤维增强与纳米颗粒掺入对混凝土不透水性和力学响应的综合影响提供了坚实的理论基础。