纳米SiO2和混杂纤维增强环氧树脂水泥基大坝修复材料抗折性能

张鹏; 吴靖江; 代小兵; 尉晓雪; 魏士尧

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2500722

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (4) :1634-1642 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2500722

建筑科学

纳米SiO₂和混杂纤维增强环氧树脂水泥基大坝修复材料抗折性能

张鹏 ¹ ,
吴靖江 ² ,
代小兵 ¹^,^* ,
尉晓雪 ² ,
魏士尧 ¹

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Flexural Toughness of Nano-SiO₂ and Hybrid Fiber Reinforced Epoxy Resin Cementitious Dam Repair Materials

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摘要

为研究纳米SiO₂和混杂纤维增强环氧树脂水泥基修复材料（nano-SiO₂ and hybrid fiber reinforced epoxy resin cementitious repair materials，NF-ECRM）的弯曲韧性，通过四点弯曲试验，以韧性指数I₅、 I₁₀ 和 I₂₀为评价指标，探究不同聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）-钢混杂纤维掺量对NF-ECRM弯曲韧性的影响。结果表明：PVA-钢混杂纤维可以有效改善NF-ECRM的弯曲韧性。当试件掺有1.2%钢纤维时，随着PVA纤维掺量的增加，韧性指数I₅、 I₁₀ 和 I₂₀均先上升后下降，并在0.9%PVA纤维时达到峰值；当试件掺有0.9%PVA纤维时，修复材料的韧性指数I₅、I₁₀和 I₂₀，随钢纤维掺量的增加而先增大后减小，并在钢纤维掺量为1.2%时整体性能达到最佳。当试件掺有0.9%PVA纤维+1.2%钢纤维时为最优组合。研究成果可应用于大坝耐久性修补工程中，可有效增强大坝混凝土结构的耐久性和抗冲击性能，延长结构服役寿命。

Abstract

Four-point bending tests were conducted to study the flexural toughness of nano-SiO₂ and hybrid fiber reinforced epoxy resin cementitious repair materials （NF-ECRM），and toughness indices I₅，I₁₀ and I₂₀ were selected to evaluate the influence of different contents of PVA-steel hybrid fibers on the flexural toughness of NF-ECRM. The results show that PVA-steel hybrid fibers can effectively improve the flexural toughness of NF-ECRM. When the NF-ECRM specimens are mixed with 1.2% steel fibers，the toughness indices I₅，I₁₀ and I₂₀ first increase and then decrease with the increase in the content of PVA fibers，and reach the peak value as the content of PVA fibers is 0.9%. When the specimens are mixed with 0.9% PVA fibers，the toughness indices I₅，I₁₀ and I₂₀ of the repair materials first increase and then decrease with the increase of steel fibers content，and the overall performance reaches the best when the steel fibers content is 1.2%. The optimal combination of specimens is 0.9% PVA fibers and 1.2% steel fibers. The research findings can be applied to dam repair projects，effectively enhancing the durability and impact resistance of dam structures and extending their service life.

Graphical abstract

关键词

修复材料 / 聚乙烯醇（PVA）纤维 / 钢纤维 / 弯曲韧性

Key words

repair materials / polyvinyl alcohol（PVA） fibers / steel fibers / flexural toughness

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张鹏, 吴靖江, 代小兵, 尉晓雪, 魏士尧. 纳米SiO₂和混杂纤维增强环氧树脂水泥基大坝修复材料抗折性能[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(4): 1634-1642 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500722

ZHANG Peng, WU Jing-jiang, DAI Xiao-bing, YU Xiao-xue, WEI Shi-yao. Flexural Toughness of Nano-SiO₂ and Hybrid Fiber Reinforced Epoxy Resin Cementitious Dam Repair Materials[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(4): 1634-1642 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500722

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中国是当今世界水库大坝数量最多的国家，现有水库大坝超过9.8×10⁴座。然而，这些水库大坝多修建于新中国成立以后，如今逐渐进入老化阶段，耐久性能降低，使用寿命变短，目前相当多的水库大坝需要维修加固。老化、疲劳和各种灾害等会造成在役混凝土大坝裂缝宽度增加等安全隐患，若不及时进行修复，可能引发严重的事故，造成无法挽回的经济损失^[1]。因而，开发一种工作性能好、强度符合工程要求、耐久性好和韧性强的新型修复材料迫在眉睫。环氧树脂乳液常用于制备聚合物改性水泥基材料，且制备出的改性材料可应用于混凝土大坝的修复，将环氧树脂乳液掺入水泥基材料后，能够提高水泥基材料的流动性、黏结性、抗冲击性、耐候性和耐磨性，而且环氧树脂乳液能在水环境和高碱性环境中固化，具有便利的施工性，因而得到了广泛应用和迅速发展^[2-5]。然而，环氧树脂乳液在满足各项要求的同时，也存在一定的局限性，环氧树脂乳液会延缓水泥水化进程，并造成修复材料抗压强度的降低。在修复材料中掺入纳米SiO₂能够有效消除环氧树脂乳液对水泥基材料的负面影响^[6-7]，纳米SiO₂能够促进水泥水化，加速水化硅酸钙凝胶（C-S-H）的生成，优化孔隙结构，以弥补强度损失^[8-9]。

本研究修复材料主要用于混凝土大坝裂缝的修补，裂缝作为混凝土的薄弱区域，被修复后如果能提供较好的韧性和抗裂能力，可以在最大程度上避免二次开裂^[10]。向水泥基材料中掺加纤维，是一种常用的改善水泥基材料韧性和抗裂能力的方式。目前，工程中常用的纤维主要有钢纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇（PVA）纤维、玻璃纤维等^[11-13]。其中，钢纤维是发展最早的一种，在研究上已经取得了丰硕的成果，对于水泥基材料力学性能的提升作用明显且稳定。钢纤维强度高、弹性模量大，加入水泥基材料后可以明显改善水泥基材料的抗拉、抗弯和抗冲击等性能，但是成本较高，且耐腐蚀性能差^[14-15]。而PVA纤维造价低、耐腐蚀性强、与水泥的亲和性及黏结性好，对水泥基材料的变形能力和后期韧性提升效果较好，但是抗拉强度和弹性模量相对较低^[16]。由上述内容可知，将单一纤维作为掺入物在发挥各自优点的同时也存在一定的限制，而将两种纤维作为掺入物，能够充分发挥各掺入物的优点以期得到各方面性能更加优良的修复材料。向修复材料中掺加聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）-钢混杂纤维，当原裂缝位置处于较高荷载水平时，纤维的变形可以消耗大量能量，有效缓解应力集中，明显增强被修复处的韧性。然而，目前关于纳米SiO₂和混杂纤维增强环氧树脂水泥基修复材料（nano-SiO₂ and hybrid fiber reinforced epoxy resin cementitious repair materials，NF-ECRM）抗折性能的研究较欠缺。因而，通过四点弯曲试验研究不同PVA-钢混杂纤维掺量对NF-ECRM弯曲韧性的影响，相关成果对丰富和发展NF-ECRM的基本理论，推动NF-ECRM的工程应用具有重要意义。

1 试验概况

1.1 试验材料

本试验采用的水泥为河北中宇仪器设备有限公司生产的P·I 42.5基准水泥；所用的砂为巩义市元亨净水材料厂生产的石英砂，粒度为20~40目；环氧乳液为深圳市吉田化工有限公司生产的F0704型水性环氧树脂乳液，固化剂采用深圳市吉田化工有限公司生产的F0705型水性环氧树脂固化剂；纳米SiO₂选用杭州万景新材料有限公司生产的纳米SiO₂；所使用的PVA纤维为日本可乐丽公司生产的PVA纤维，其主要性能参数如表1所示；钢纤维为镀铜钢纤维微丝，其主要性能指标如表2所示；所掺加的消泡剂为市场上常见的有机硅消泡剂；减水剂采用的是江苏苏博特有限公司的聚羧酸高效减水剂。

1.2 试验配合比

本试验参考《聚合物改性水泥砂浆试验规程》（DL/T 5126—2021）^[17]和文献[18-19]对环氧树脂水泥基修复材料配比的研究，经过多次预实验，最终采用水胶比为0.52，砂胶比（砂与水泥+纳米SiO₂的质量比）为2.2，纳米SiO₂将以等质量取代水泥的方式掺入修复材料中，掺量为1.5%，并将修复材料的聚灰比（环氧树脂乳液中的固体与水泥+纳米SiO₂的质量比）设置为9%；根据生产厂家建议及试配结果，环氧树脂乳液与固化剂的质量比确定为2∶1；消泡剂的掺量设置为环氧树脂乳液固体质量的1.2%；减水剂的掺量设置为0.5%。试验所用的混杂纤维为PVA纤维和钢纤维，为探究纤维掺量对NF-ECRM弯曲韧性的影响，采用控制变量法，单一改变PVA纤维或钢纤维的掺量，其中PVA纤维体积掺量为分别0、0.3%、0.6%、0.9%和1.2%，钢纤维体积掺量分别0、0.4%、0.8%、1.2%和1.6%。考虑到本试验所用的环氧树脂乳液、固化剂与减水剂均以水作为分散介质，其含水量（质量分数）分别为50%、56%与80%。因此，在确定配合比中水的实际掺量时，需相应扣除这部分水分。本试验NF-ECRM具体配合比如表3所示。

1.3 试件制备及试验方法

参照《聚合物改性水泥砂浆试验规程》（DL/T 5126—2021）^[17]，本文修复材料可以采用人工拌合和机械拌合两种拌合方法。由于环氧树脂乳液的引气作用，使用机械搅拌机快速搅拌会使得浆体硬化后结构疏松、气孔较多，导致基体强度的下降。人工拌合可以有效降低气泡含量，但是效率较低，不适合大范围使用。因此，为符合实际情况，采用机械搅拌机慢速搅拌修复材料。此外，在制备NF-ECRM时，要确保纳米SiO₂在拌合物中均匀分散，试验前将称量好的纳米SiO₂与高效减水剂加入水中，机械搅拌均匀后再掺加到拌合物中。具体制备过程如下：先将水泥、石英砂和钢纤维加入搅拌机中以干拌的形式快速搅拌2 min；然后将事先搅拌好的环氧树脂乳液、固化剂、消泡剂混合物和纳米SiO₂、高效减水剂、自来水混合物分别倒入搅拌机中，继续搅拌1 min；最后将PVA纤维均匀撒入搅拌机内再搅拌2 min。搅拌完成后将新拌修复材料装入试模，在充分振捣后抹平成型。24 h后脱模，将试件放入温度为（20±2） °C，相对湿度大于等于95%的标准养护室，养护28 d后取出。NF-ECRM制备工艺图如图1所示。

四点弯曲试验依据Standard Test Method for Flexural Toughness and First Crack Strength of Fiber Reinforced Concrete（ASTM C1018）^[20]中的试验方法进行，试验采用9组配合比，每组配合比使用3个尺寸为400 mm（长）×100 mm（宽）×100 mm（高）的棱柱体试件。试验所用的加载仪器为1 000 kN电液伺服万能试验机，荷载采集装置为量程50 kN、精度1 N的荷载传感器，位移采集装置为灵敏度0.35 mV/mm的位移计。试验开始前调整支座跨度为300 mm，将试件成型时的侧面作为承压面置于支座上，将位移计布置在试件的跨中两侧以测定跨中挠度，取其平均值作为结果；启动试验机对试件进行预压以消除分配梁与试件的间隙，将各测点初始值归零，然后开启试验，加载速率设为0.1 mm/min，试验过程中采用的荷载传感器与位移计同步采集荷载与跨中位移。试验现场图和示意图分别如图2和图3所示。

通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）测试分析对NF-ECRM的微观形貌进行观测，试验采用的仪器为北京中科科仪股份有限公司生产的扫描电镜，如图4所示。试验开始前，用切割机从试件上切出长度为10 mm的试样，观测面保留为自然断裂状态，其他面均切割平整。将试样放入无水乙醇中清洗，并在测试前1 d将试样放入烘箱中烘干，之后，将经过喷金处理的试样送入电镜的真空室进行观测。

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏形态

对NF-ECRM弯曲破坏后的形态进行了观测，结果如图5所示。在加载初期，试件底部有微裂缝产生，随着荷载的增大，裂缝慢慢扩展，当完全破坏时，试件还未断开。当单掺1.2%钢纤维时，试件破坏后底部仅出现一条主裂缝，且裂缝内部有明显破损，掺入PVA纤维后，主裂缝变曲折且出现分叉现象，随着PVA纤维掺量的增加，主裂缝的宽度逐渐减小。当单掺0.9%PVA纤维时，试件破坏后底部出现一条细窄的主裂缝和一些肉眼不易察觉的微裂缝，而掺入钢纤维会抑制多缝开裂现象，随着钢纤维掺量的增加，主裂缝宽度逐渐增大，四周的微裂缝数量减少直至消失。

2.2 NF-ECRM荷载-挠度典型曲线

根据四点弯曲试验结果，绘制出NF-ECRM的典型荷载-挠度曲线图，结果如图6所示。该曲线可以分为三个阶段，具体如下。

（1）OA段。该阶段曲线服从胡克定律，荷载随跨中挠度的增长呈线性增大。在此阶段，混杂纤维和基体作为整体承担外力，在阶段末尾，试件底部出现微裂缝并缓慢发展。

（2）AB段。该阶段曲线由线性变为非线性，荷载先迅速降低，当降低到一定值时，PVA纤维和钢纤维的桥接作用有效阻止了荷载的继续降低，荷载逐渐回升并随着挠度的增长而增大，但此时挠度的增长速度快于荷载。这一阶段，试件内部微裂缝稳定扩展，基体依靠界面黏结将应力传递给纤维，纤维又通过桥接作用将应力传递给裂缝两侧未开裂的基体，直至达到基体的极限承载力。

（3）BC段。到达峰值荷载之后，随着纤维不断被拔出和拔断，试件的承载力不断下降，挠度的增长速度也加快，直至试件完全破坏。

2.3 混杂纤维对NF-ECRM荷载-挠度曲线的影响

图7和图8分别给出了不同PVA纤维掺量和钢纤维掺量下NF-ECRM的荷载-挠度曲线。由图7可知，当单掺1.2%钢纤维时，曲线在试件破坏的第三阶段呈现出明显的应变软化特征，这是由于钢纤维表面光滑，随着挠度的增长，裂缝口张开程度不断增大，钢纤维陆续被拔出，导致试件承受的荷载水平急剧下降。而掺入PVA纤维后，随着PVA纤维掺量的增加，曲线愈发饱满，“平台段”增多，且峰值后的曲线变平缓，随着挠度的增长，荷载并未出现大幅降低的现象，试件的应变硬化特征愈发明显。从图8可以发现，当试件仅掺有0.9%PVA纤维时，随着钢纤维掺量的增加，“平台段”逐渐缩短，曲线形状愈发瘦高。此外，个别试件在荷载-挠度曲线中出现了抖动现象，这是由于钢纤维在拔出过程中造成裂缝两侧基材的破损、剥落，产生附属裂纹。

基于四点弯曲试验结果，确定了NF-ECRM的初裂荷载、峰值荷载和极限挠度等力学参数，结果如表4所示。对于NF-ECRM的初裂荷载，当钢纤维掺量固定为1.2%时，随着PVA纤维掺量从0增加到1.2%，试件的初裂荷载仅提高了5.63%。当PVA纤维掺量固定为0.9%时，随着钢纤维掺量从0增加到1.6%，试件的初裂荷载仅增大了8.45%。可以发现，混杂纤维掺量对NF-ECRM初裂荷载的影响相对较小。

对于NF-ECRM的峰值荷载，当钢纤维掺量固定为1.2%时，随着PVA纤维掺量的增加，试件的峰值荷载先上升后下降，并在0.9%PVA纤维时达到峰值，较单掺钢纤维时增大了34.41%。当PVA纤维掺量固定为0.9%时，随着钢纤维掺量的增加，试件的峰值荷载逐渐增大，并在1.6%钢纤维时达到峰值，较单掺PVA纤维时提高了50.61%。这表明混杂纤维能够有效提高基体的极限抗弯承载力，且钢纤维的提高效果要明显好于PVA纤维。对于NF-ECRM的极限挠度，当钢纤维掺量固定为1.2%时，随着PVA纤维掺量的增加，试件的极限挠度呈上升趋势，并在1.2%PVA纤维时达到峰值，较单掺钢纤维时增长了76.81%。当PVA纤维掺量固定为0.9%时，随着钢纤维掺量的增加，试件的极限挠度先增大后减小，并在1.2%钢纤维时达到峰值，比单掺PVA纤维时增长了58.91%。这表明混杂纤维发挥了良好的阻裂效果，且PVA纤维对于延性的提升效果要优于钢纤维。

3 弯曲韧性评价分析

3.1 弯曲韧性评价方法

目前关于弯曲韧性的评价方法有很多，其中应用最为广泛的包括美国标准Standard Test Method for Flexural Toughness and First Crack Strength of Fiber Reinforced Concrete （ASTM C1018）^[20]、日本标准Method of Test for Flexural Strength and Flexural Toughness of Fiber Reinforced Concrete （JSCE-SF4）^[21]和欧洲标准Test and Design Method of Steel Reinforced Concrete（RILEM TC 162-TDF）^[22]。ASTM C1018标准将一定倍数初裂点的挠度作为终点挠度，将终点挠度与初裂挠度荷载-挠度曲线下面积的比值作为韧性指数。这一方法有明确的弹塑性力学依据，能够反映纤维对水泥基材料弯曲韧性的贡献。JSCE-SF4标准利用试件的挠度变形为L/150时荷载-挠度曲线下面积计算韧性指数（L为支座跨距）。该方法计算简单，避开了初裂点对计算结果的影响，但是L/150取值太小，无法正确反映纤维水泥基材料的实际工作状态。RILEM TC 162-TDF标准^]利用荷载-挠度曲线屈服点前后的面积计算等效抗弯强度，并用于评价弯曲韧性。该方法明确了纤维对水泥基材料弯曲韧性的贡献，但是只适用于高掺量和高强的纤维水泥基材料。考虑到各种方法的优缺点，并结合本文试验结果，本试验采用ASTM C1018标准。

如图9所示，以O为原点，选取初裂点对应挠度的1.0、3.0、5.5、10.5倍的挠度点分别记为B、D、F、H；荷载-挠度曲线下OAB、OACD、OAEF、OAGH的面积分别记为Ω_δ、Ω₃_δ、Ω₅_.₅_δ、Ω₁₀_.₅_δ。韧性指数I₅、I₁₀与I₂₀分别按式（1）~式（3）计算，结果取3个试件韧性指数的平均值。

（1）I₅=Ω₃_δ/Ω_δ

（2）I₁₀=Ω₅_.₅_δ/Ω_δ

（3）I₂₀=Ω₁₀_.₅_δ/Ω_δ

3.2 弯曲韧性分析

根据式（1）~式（3）计算得到不同纤维掺量下NF-ECRM的弯曲韧性指数，结果如图10和图11所示。当试件掺有1.2%钢纤维时，随着PVA纤维掺量的增加，韧性指数I₅、I₁₀与I₂₀均逐渐增大，当PVA纤维掺量为0.9%时，韧性指数I₅、I₁₀与I₂₀达到最大值，较单掺钢纤维时，增幅分别为20.99%、24.12%和65.83%，随着PVA纤维掺量的继续增加，韧性指数I₅、I₁₀与I₂₀均降低。当试件掺有0.9%PVA纤维时，随着钢纤维掺量的增加，韧性指数整体呈先上升后下降的趋势，I₅与I₁₀在1.2%钢纤维时达到最大值，较单掺PVA纤维时，增幅分别为31.97%和42.02%，而I₂₀则在1.6%钢纤维时达到峰值，较0.3%钢纤维时，增幅达25.13%。可以发现，PVA纤维对NF-ECRM后期韧性的提升效果要明显好于钢纤维，这与其他学者的研究结果基本一致^[23]。郑辉^[24]指出，随着纤维掺量的增加，韧性指数I₂₀的增长率较I₅显著增加，（I₂₀-I₁₀）的增幅也较（I₁₀-I₅）明显提高，这反映出在试件破坏的第三阶段，即裂缝稳定发展阶段，PVA-钢混杂纤维发挥了良好的增韧效果。

综合图10和图11的结果可知，当钢纤维掺量为1.2%时，NF-ECRM的韧性指数随PVA纤维掺量的增加而有增大的趋势，掺有1.2%钢纤维和0.9%PVA纤维的修复材料韧性指数最大。当PVA纤维掺量为0.9%时，NF-ECRM的韧性指数随钢纤维掺量的增加而有增大的趋势，掺有1.2%钢纤维和0.9%PVA纤维修复材料的韧性指数I₅与I₁₀最大，而当钢纤维掺量为1.5%，PVA纤维掺量为0.9%，修复材料韧性指数I₂₀最大。综上所述，当试件掺有0.9%PVA纤维+1.2%钢纤维（P09S12）时为最优组合，该组合下韧性指数I₅与I₁₀达到最大值，I₂₀的值仅次于P09S16时，且其数值分别大于其理想弹塑性材料对应的5、10和20，这表明PVA-钢混杂纤维对NF-ECRM的弯曲韧性起到了良好的改善作用。

4 微观结构

图12展示了PVA-钢混杂纤维对NF-ECRM内部形貌的影响。图12（a）、图12（b）为PVA纤维掺量为0.9%（P09S12）时试样的SEM图像，图12（c）、图12（d）给出了钢纤维掺量为1.2%（P09S12）时试样的SEM图像。在图12（a）和图12（c）中可以观察到，PVA纤维表面附着有水化产物与聚合物膜，钢纤维表面附着有水化产物。有学者发现，这些附着物可以改善纤维与基体间的黏结作用，对裂缝的产生和发展起到限制作用^[25]。图12（b）表明，PVA纤维的破坏形态不只有拔出破坏，还有断裂破坏。力学性能试验前，纤维与水化产物之间黏结完整，力学性能试验开始后，随着荷载的增大，基体内部出现微裂缝并缓慢发展，荷载逐渐从基体转移到纤维上，随着裂缝的持续扩展，纤维与基体间的黏结应力逐渐减小，当剪切应力超过黏结应力后，纤维逐渐被拔出或拔断。有学者指出，当纤维拔出破坏和断裂破坏的失效模式共存时，有助于获得高强度和高延性的纤维水泥基材料^[26]。从图12（d）可以看出，修复材料中钢纤维的失效模式为拔出破坏。

5 结论

（1）当试件掺有1.2%钢纤维时，随着PVA纤维掺量的增加，韧性指数I₅、I₁₀与I₂₀变化趋势相同，均为先上升后下降，并在0.9%PVA纤维时达到峰值，较未掺PVA纤维时分别提高了20.99%、24.12%和65.83%。

（2）当试件掺有0.9%PVA纤维时，随着钢纤维掺量的增大，韧性指数I₅、I₁₀与I₂₀随着钢纤维掺量的增加先增大后减小，并在钢纤维掺量为1.2%时达到整体最佳，I₅与I₁₀较未掺钢纤维时分别增长了31.97%和42.02%，I₂₀较0.3%钢纤维时，增幅达25.13%。

（3）PVA-钢混杂纤维可以有效改善NF-ECRM的弯曲韧性，当试件掺有0.9%PVA纤维+1.2%钢纤维（P09S12）时为最优组合，且相应的弯曲韧性指数分别大于其理想弹塑性材料对应的5、10和20。

（4）研究成果可为大坝修复工程提供一种新型高性能修复材料选择，可显著提高修复后混凝土结构的抗裂性能和耐久性，具有广阔的工程应用前景。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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