復摻粉煤灰與納米SiO2對混凝土性能的影響

李孝雄，胡明華，袁楓斌

(1. 滁州學院 土木與建筑工程學院，安徽 滁州 239000；2. 安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，合肥 230001；3. 中咨華科交通建設技術有限公司，北京 100195)

利用粉煤灰取代混凝土中部分水泥不僅實現(xiàn)了粉煤灰資源的利用，節(jié)約了能源與資源消耗，且減輕了粉煤灰對環(huán)境的影響.目前，粉煤灰混凝土已應用在道路、橋梁下部結構等工程中，它將向著綠色高性能方向發(fā)展[1].現(xiàn)有研究結果表明[2-6]，混凝土中大部分水泥被粉煤灰取代，水泥的活性未被完全激發(fā)，導致混凝土早期性能較低，但因粉煤灰粒徑較小，能有效地填充混凝土孔隙，增加了混凝土的密實度，提高了抗?jié)B性能及耐久性.大摻量粉煤灰混凝土早期性能不足導致其在混凝土的推廣應用中受到了阻礙.因此，需尋找一種新型材料提高混凝土的早期性能.

納米SiO2摻入混凝土中，其3大效應(晶核作用、微集料填充效應及火山灰活性[7])可提高混凝土早期性能，但納米SiO2存在最優(yōu)摻量.過多的納米SiO2將會降低混凝土抗壓強度[8-10].文獻[11-12]通過在混凝土中摻入納米SiO2的凍融試驗，深入研究了提高其抗凍性能的機理，試驗結果表明，混凝土僅表面被剝離，可有效提高混凝土抗凍性能.納米SiO2摻入混凝土中能有效降低混凝土中的孔隙率，且由于其3大效應，加速了水泥水化，優(yōu)化了孔結構及界面過渡區(qū)，從而提高混凝土抗?jié)B性能[13].

本文通過試驗研究納米SiO2對混凝土性能的影響，確定其最優(yōu)摻量；同時，通過改變粉煤灰的摻量，研究復摻粉煤灰與納米SiO2對混凝土性能的影響.

1 單摻納米SiO2對水泥基材料性能的影響

1.1 試驗設計

實驗采用的納米SiO2是由上海緣江化工有限公司生產(chǎn)；水泥采用江南小野田水泥廠生產(chǎn)的PII52.5型硅酸鹽水泥；砂子是天然河砂(中砂)；石子由石灰?guī)r破碎而成，粒徑為5～25 mm.納米SiO2及水泥材料基本參數(shù)見表1和表2.試驗步驟及試樣制備均按照規(guī)范《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》[14](GB/T50082-2009)與《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[15](GB/T50081-2016)中的規(guī)定執(zhí)行.

表1 納米SiO2相關參數(shù)

表2 水泥的主要化學組成

試驗配合比見表3，以此測試納米SiO2混凝土不同齡期的抗壓強度、抗凍性能及抗?jié)B性能.

表3試驗配合比

1.2 實驗結果與分析

1.2.1 抗壓強度

由圖1可知，混凝土的早期(14 d)抗壓強度隨著納米SiO2摻入量的增大而增加，摻入3%和1.5%的納米SiO2混凝土在14 d時的抗壓強度較未摻入的混凝土分別提高了3.5%和4.1%，但28 d后隨著SiO2增加混凝土抗壓強度減小.這主要是由于納米SiO2具有高早期性火山灰活性，參與了早期的水化反應，能與水泥中的Ca(OH)2形成C-S-H凝膠體，且納米SiO2填充混凝土中的微結構，增加了混凝土早期的抗壓強度，也正因前期水化反應過快，釋放了大量熱量使其內(nèi)部產(chǎn)生微小裂縫，導致后期的混凝土抗壓強度有所降低.

1.2.2 抗?jié)B性能

A組每個試塊測得的10個滲水高度值的平均值見圖2.

圖2 摻入納米SiO2混凝土滲水高度

由圖2(b)可知，納米SiO2摻入量的增加有效提高了混凝土抗?jié)B性能，摻入1.5%納米SiO2混凝土的抗?jié)B高度比未摻入的減小了16.4%；摻入3%的納米SiO2混凝土的抗?jié)B高度比未摻入的減小了26.2%.水分主要在水泥和骨料間的連通孔隙和界面過渡區(qū)孔隙中擴散，當納米SiO2摻入混凝土中時，由于納米SiO2其顆粒半徑達到納米級別，填充了混凝土中的孔隙，阻斷了3種水擴散方式，提高了混凝土的抗?jié)B性.且由圖2(a)可知，未摻入納米SiO2的混凝土試塊滲水高度離散性較大，而加入納米SiO2后混凝土的滲水高度差異性較小.這是由于未加入納米SiO2的混凝土材料孔隙較大，且孔隙大小及連通性具有一定隨機性，從而導致混凝土滲水高度離散性較大，而加入納米SiO2后孔隙被填充，其滲水高度差異性較小.

1.2.3 抗凍融性能

由圖3(a)可知，隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土試塊質量不斷減小，未摻入納米SiO2混凝土試塊凍融次數(shù)達到20次之后，其質量開始明顯減?。粨饺爰{米SiO2量為1.5%和3%的混凝土試塊凍融次數(shù)超過40次后，其質量開始明顯減小.根據(jù)規(guī)范規(guī)定，當試塊質量損失率超過5%時，應停止試驗，即得凍融極限值.由圖3(b)可知，未摻入納米SiO2的極限凍融次數(shù)為56次；納米SiO2摻入量為1.5%和3%的試塊極限凍融次數(shù)較未摻入的分別提高了39.5%和69.6%，這主要是納米SiO2的填充作用提高了混凝土的抗凍性能.

圖3 摻入納米SiO2混凝土凍融后的質量損失及次數(shù)

基于上述研究，混凝土摻入納米SiO2可在一定程度上提高混凝土的抗凍性能及抗?jié)B性能；可提高混凝土的早期抗壓強度，但到28 d時混凝土抗壓強度較未摻入納米SiO2試塊有所降低；單從提高抗壓強度角度出發(fā)，可利用粉煤灰替代部分水泥，并選擇納米SiO2的摻量為1.5%.

2 復摻粉煤灰與納米SiO2對水泥基材料性能的影響

2.1 試驗設計

2.1.1 原材料

試驗所用原材料與前文一致，粉煤灰采用的某電廠生產(chǎn)的二級粉煤灰，其基本參數(shù)見表4.

表4 粉煤灰的主要化學組成

2.1.2 試驗配合比

試驗配合比如表5所示，以此測試納米SiO2與粉煤灰耦合作用下混凝土不同齡期的抗壓強度、抗凍性能及抗?jié)B性能，試驗步驟及試樣制備均按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》[14](GB/T50082-2009)與《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[15](GB/T50081-2016)中的相關規(guī)定執(zhí)行.

表5 試驗配合比

2.2 實驗結果與分析

2.2.1 抗壓強度

由圖4可知，粉煤灰的摻入降低了混凝土的抗壓強度，粉煤灰摻入量為10%，20%和30%時的混凝土抗壓強度(28 d)較未摻入的混凝土分別降低了3.78%，5.95%和19.19%，這是由于粉煤灰替代了部分水泥，形成的C-S-H凝膠體減小，混凝土試塊抗壓強度降低.其中，未摻入粉煤灰的混凝土試塊在3 d時抗壓強度低于摻入10%粉煤灰混凝土，其主要原因是水化早期，粉煤灰未參與水化作用，僅起到了填充作用，這說明粉煤灰摻量適當時可在一定范圍內(nèi)提高混凝土抗壓強度.不同組別試塊前期抗壓強度差距較大，隨著養(yǎng)護時間的推移，混凝土的抗壓強度差值逐漸減小，其主要原因是水化早期，粉煤灰對水泥顆粒具有解絮作用，水化反應速度慢、時間長，隨著時間的加長，大量水泥產(chǎn)生水化，激發(fā)了粉煤灰產(chǎn)生二次水化反應，增加了混凝土的抗壓強度，從而導致?lián)饺敕勖夯一炷猎缙诳箟簭姸鹊?、后期高的現(xiàn)象.

圖4 摻入粉煤灰的混凝土抗壓強度

2.2.2 抗?jié)B性能

由圖5可知，混凝土抗?jié)B性能隨著粉煤灰摻入量的增加而提高，摻入粉煤灰量為10%，20%和30%的混凝土滲水高度較未摻入的混凝土分別降低了1.96%，3.92%和28.43%.其主要原因是粉煤灰中存在的極細微珠相當于納米材料，提高了混凝土的均質性和密實性；粉煤灰中含有的活性SiO2及AlO3，與Ca(OH)2反應生成膠凝物質，填充了混凝土的毛細組織，有效地提高了混凝土的抗?jié)B性能.當粉煤灰摻量達到30%時，混凝土抗?jié)B性能有了極大地提高(規(guī)范中對粉煤灰摻量達到30%稱為大摻量粉煤灰混凝土).

圖5 摻入粉煤灰的混凝土滲水高度

2.2.3 抗凍融性能

由圖6可知，混凝土試塊的質量隨著凍融次數(shù)增加呈先增加后減小趨勢.未摻入粉煤灰混凝土試塊凍融次數(shù)達到40次后，其質量開始減小；粉煤灰摻入量為10%，20%和30%時，出現(xiàn)質量開始減小的凍融次數(shù)分別為60，75和90次，達到凍融破壞標準的極限凍融次數(shù)分別提高了14.1%，37.2%和47.4%.前期凍融后質量的增加主要是由于混凝土浸泡水之后吸附了一定質量的水，導致混凝土試塊質量的增加.粉煤灰的摻入提高了混凝土的抗凍性能，其主要原因是由于粉煤灰填充了混凝土的孔隙，且納米SiO2和粉煤灰在耦合作用下促進了水泥的二次水化，增加了混凝土中的膠凝物質，從而防止了孔隙水凍結膨脹導致混凝土破壞.

圖6 摻入粉煤灰的混凝土凍融后的質量損失及次數(shù)

3 結論

1)摻入納米SiO2可提高混凝土的抗?jié)B性能及抗凍性能，且未摻納米SiO2混凝土試塊的滲水高度離散性較大；摻入納米SiO2混凝土前期抗壓強度高于未摻入納米SiO2混凝土，后期抗壓強度低于未摻入納米SiO2混凝土.

2)已摻入納米SiO2混凝土的抗壓強度隨粉煤灰摻入量的增大而減小，但摻入10%粉煤灰混凝土在3 d時的抗壓強度高于未摻粉煤灰混凝土試塊；其抗?jié)B性能及抗凍性能隨著粉煤灰摻入量的增加而增強，當粉煤灰摻量達到30%時，其抗?jié)B性能有較大幅度提高.