納米SiO2混凝土力學(xué)性能研究①

姚 廒， 師 陽,2

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710000；2.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

0 引 言

目前，水泥混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料之一，而隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，普通混凝土的性能已不能滿足現(xiàn)代化設(shè)施(大型化、高層化、智能化)的要求，高性能和綠色環(huán)保已經(jīng)成為現(xiàn)代混凝土發(fā)展的趨勢[1～2]。而向混凝土中摻入外加劑和礦物摻合料是保證其具有高性能的必要組分之一。納米SiO2作為一種納米尺寸的材料，因其具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)使其具有廣泛的應(yīng)用前景。而將納米SiO2應(yīng)用于水泥混凝土中，可以顯著提高混凝土的早期強(qiáng)度和耐久性能[3]。一方面是由于納米SiO2可以消耗強(qiáng)度小、晶體大的Ca(OH)2，并促進(jìn)生產(chǎn)C-S-H凝膠，提高水泥漿體的強(qiáng)度[4～5]；另一方面，其尺寸顆粒較細(xì)可以填充水泥漿體間的空隙，發(fā)揮微集料效應(yīng)，提高其整體密實(shí)度，提高其耐久性能。但是目前對于單一粒徑下的納米SiO2混凝土的基本力學(xué)性能已有大量研究，但對于兩種粒徑納米SiO2、水泥等三元混雜混凝土的力學(xué)性能研究較少。

因此，共設(shè)計(jì)了16組2種不同粒徑和摻量下的納米SiO2混凝土試件，并對其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度進(jìn)行測試，分析納米SiO2粒徑、摻量等因素對混凝土基本力學(xué)性能的影響，為今后的實(shí)際工程提供理論依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)選用祁連山水泥廠強(qiáng)度為42.5普通硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)符合ASTM C150規(guī)范，采用X射線衍射儀對水泥的化學(xué)組成進(jìn)行分析，如表1所示。納米SiO2選自廣州利比公司，平均粒徑分別為15nm和80nm，其物理性質(zhì)如表2所示。粗骨料選用粒徑為13.2～16mm之間的玄武巖碎石，密度為2.96×103kg/m3；細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.25，密度為2.58×103kg/m3。

表1 水泥化學(xué)成分

表2 納米-SiO2性質(zhì)

試驗(yàn)采用兩種粒徑(15nm、80nm)納米SiO2以四種比例(0.5%、1%、1.5%、2%)替代水泥摻入混凝土中，為了使納米SiO2在混凝土中分散均勻，將納米SiO2與水高速(120r/min)攪拌1min后，再加入混凝土中。水膠比固定為0.40，粗細(xì)骨料比保持為7∶3。共制備16組混凝土試樣，具體配合比見表3。

表3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.2 性能測試

分別制備100mm×50mm×50mm和200mm×50mm×50mm的立方體試件，按照ASTM C39和ASTM C293的規(guī)定測定混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。制備Φ150mm×300mm的圓柱形試件，按照ASTM C496-90的規(guī)定，分別測定其7d、28d、90d的劈裂抗拉強(qiáng)度。采用掃描電子顯微鏡對混凝土的表觀形貌進(jìn)行觀測分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度

摻不同粒徑納米SiO2混凝土抗壓強(qiáng)度如圖1所示。隨著納米SiO2替代水泥比例增加，混凝土的7d、28d、90d抗壓強(qiáng)度先增加后減小。用15nm SiO2從0.5%～2%，80nm SiO2從0.5%～1.5%替代水泥時(shí)，混凝土的7d、28d、90d抗壓強(qiáng)度隨著納米SiO2替代比例的增加而增加；當(dāng)15nm SiO2替代水泥的比例為2%，80 nm SiO2為0.5%～2%時(shí)，混凝土的7d、28d、90d抗壓強(qiáng)度先增加后減小。但是，用2%15nm SiO2+2%80nm SiO2的混凝土抗壓強(qiáng)度仍高于普通水泥的抗壓強(qiáng)度(C0)。究其原因，適量的納米SiO2和水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2生成C-S-H凝膠，提高水泥漿體的強(qiáng)度；另一方面，較細(xì)的納米SiO2顆粒的填充作用使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，提高其耐久性能。

圖1 納米SiO2混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖2 納米SiO2混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度

摻不同粒徑納米SiO2混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度如圖2所示。相比于普通混凝土，添加納米SiO2的N系列混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度明顯增強(qiáng)；與納米SiO2混凝土抗壓強(qiáng)度相同的是隨著納米SiO2替代水泥摻量的增加，納米SiO2混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度變化趨勢為先增大后減??；當(dāng)粒徑為15nm的SiO2摻量達(dá)到2%+80nm的SiO2摻量為1.5%(如樣品N15所示)時(shí)，納米SiO2混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，7d、28d、90d的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為4.9 MPa、5.3 MPa和5.9 MPa；當(dāng)繼續(xù)增大納米SiO2的摻量時(shí)，此時(shí)的納米SiO2混凝土表現(xiàn)出劈裂抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出減小的趨勢，但粒徑為15nm的SiO2摻量達(dá)到2%+80nm的SiO2摻量為2%(如樣品N16所示)時(shí)，納米SiO2混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度還明顯高于普通混凝土，可見納米SiO2的加入可以明顯提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

2.2 抗折強(qiáng)度

摻不同粒徑納米SiO2混凝土抗折強(qiáng)度如圖3所示。對比C0系列混凝土和N系列混凝土在7d、28d、90d抗拉強(qiáng)度變化，可知納米SiO2的加入大幅提升混凝土的抗折強(qiáng)度。對比N1～N4、N5～N8、N9～N12和N13～N16四組混凝土強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粒徑為15nm的SiO2摻量穩(wěn)定在0.5%～1.5%時(shí)，納米SiO2的混凝土抗折強(qiáng)度隨著粒徑為80nm的SiO2摻量增加而逐漸增大；當(dāng)粒徑為15nm的SiO2摻量到達(dá)2%時(shí)，納米SiO2混凝土隨著粒徑為80nm的SiO2摻量增加抗折強(qiáng)度表現(xiàn)為先增大后減??；反之，控制粒徑為80nm的SiO2摻量不變而逐漸增大粒徑為15nm的SiO2摻量，納米SiO2混凝土抗折強(qiáng)度表現(xiàn)出同樣的變化規(guī)律。當(dāng)納米SiO2混凝土不同粒徑摻加比例為2%的15nm SiO2+1.5%的80nm SiO2時(shí)納米SiO2的混凝土抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。

圖3 摻不同粒徑納米SiO2混凝土的抗折強(qiáng)度

2.3 SEM分析

圖4(a)、(b)分別為未摻加和摻加納米SiO2混凝土的掃描電鏡圖，由圖可以看出，未摻加納米SiO2混凝土內(nèi)部孔隙較大，孔結(jié)構(gòu)級配較差，而摻加納米SiO2混凝土的內(nèi)部孔隙很少，這是因?yàn)榧{米SiO2顆粒較細(xì)，可以填充混凝土內(nèi)部孔隙。此外，納米SiO2具有較高的活性，在堿性條件下可以參加水泥的水化反應(yīng)，能夠加快水化進(jìn)程，生成較多的C-S-H凝膠填充了混凝土的孔隙，提高了混凝土的密實(shí)性，這明顯改善了混凝土的力學(xué)性能[6～7]。

(a)普通混凝土(C0) (b)納米SiO2混凝土

3 結(jié) 論

(1)通過對比普通混凝土和不同粒徑及摻量的納米SiO2混凝土的抗壓、抗劈裂和抗折強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)通過添加納米SiO2的方式，可以明顯增大混凝土的力學(xué)性能。

(2)當(dāng)納米SiO2混凝土不同粒徑摻加比例為2%的15nm SiO2+1.5%的80nmSiO2時(shí)納米SiO2的混凝土的抗壓、抗劈裂和抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值，表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。

(3)根據(jù)掃描電鏡的微觀分析，發(fā)現(xiàn)顆粒較細(xì)的納米SiO2通過物理填充和堿性條件下的水化反應(yīng)的雙重作用提高了混凝土的密實(shí)性，改善了混凝土的力學(xué)性能。