外摻碳化硅混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究

李佳帥，徐 超

(沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

1 概述

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為傳統(tǒng)磨料的碳化硅，由于其硬度高、粒度小且粒徑分布集中等性質(zhì)成為硅片切割中的主要切削介質(zhì)。為了保證切割過程的穩(wěn)定需要加入大量的切割砂漿，其主要成分就是碳化硅。由于切割時(shí)外力的作用使碳化硅砂漿最終不能符合切割要求而成為廢料，該廢料中含有大量的碳化硅，導(dǎo)致原料的大量浪費(fèi)[1]。同時(shí)，我國的工廠拆遷及工程改造也產(chǎn)生了大量的碳化硅廢料，這些廢料的隨意堆放浪費(fèi)了大量的土地資源，污染了環(huán)境。針對(duì)這一弊端，如果將其回收之后再應(yīng)用于工程實(shí)踐中，不僅可以防止資源浪費(fèi)，而且也改善了環(huán)境污染等問題，符合我國資源節(jié)省、環(huán)境協(xié)調(diào)和可持續(xù)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略需求。

近年來，部分學(xué)者對(duì)于碳化硅混凝土也進(jìn)行了相應(yīng)的研究。李然等[2]研究了納米顆粒對(duì)井壁混凝土耐久性能的影響，發(fā)現(xiàn)單摻碳化硅納米材料提高了井壁混凝土抗壓和抗彎強(qiáng)度，也改善了耐磨性能和干縮性能。陳昶旭等[3]對(duì)混凝土抗風(fēng)沙防護(hù)用碳化硅增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在不同沖蝕速度和沖蝕角度下，當(dāng)碳化硅摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，改性環(huán)氧樹脂的體積沖蝕率最低，沖蝕抗力良好。劉小明等[4]對(duì)碳化硅砂作細(xì)骨料增強(qiáng)瀝青混凝土的熱學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)碳化硅砂明顯提高了瀝青混凝土的微波加熱性能，并且瀝青混凝土的導(dǎo)熱性能隨著碳化硅砂替代量增大而提高。目前，對(duì)碳化硅混凝土的研究大多集中在耐磨性和耐久性等方面，而對(duì)其力學(xué)性能的研究報(bào)道較少，基于此本文對(duì)不同摻量碳化硅的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期為碳化硅在混凝土中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)概況

2．1 原材料及其基本性能

試驗(yàn)采用P．O42．5 級(jí)普通硅酸鹽水泥; 天然粗骨料粒徑范圍為8 mm ～20 mm 的碎石; 砂采用河砂，細(xì)度模數(shù)為2．58;拌合水采用自來水; 碳化硅的化學(xué)成分見表1;減水劑采用減水率為20%的聚羧酸減水劑;綠色碳化硅和黑色碳化硅化學(xué)成分基本相同，只是原料和生產(chǎn)工藝有所區(qū)別，綠色碳化硅為綠色的半透明體，其硬度、純度均高于黑色碳化硅，但黑色碳化硅的韌性高于綠色碳化硅，大多數(shù)用于加工抗張強(qiáng)度低的材料。

表1 碳化硅化學(xué)成分表

2．2 試驗(yàn)配合比

普通混凝土的配合比依據(jù)JGJ 55—2011 普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[5]設(shè)計(jì)，本研究通過碳化硅外摻法[6-7]進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，即保持普通混凝土配合比不變，僅改變碳化硅的摻量。以碳化硅外摻量0 為基準(zhǔn)(對(duì)應(yīng)普通混凝土) ，對(duì)于不同外摻碳化硅量的混凝土，保持水泥、水、砂、粗骨料、外加劑不變，僅改變碳化硅的外摻量，混凝土的配合比設(shè)計(jì)見表2。

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

2．3 試件制作與養(yǎng)護(hù)

為了研究外摻黑色和綠色碳化硅混凝土立方體抗壓性能，考慮碳化硅外摻量和時(shí)間齡期兩種變化參數(shù)的影響，總共設(shè)計(jì)216 個(gè)試塊開展試驗(yàn)。其中，碳化硅外摻含量考慮了0%，3%，5%，7%，10%等五種摻量(質(zhì)量百分比，下同) ，對(duì)應(yīng)的試件組分別為C0，C1，C2，C3，C4;時(shí)間齡期考慮了7 d，14 d，21 d，28 d 等4 個(gè)時(shí)間齡期。兩種類型每種摻量對(duì)應(yīng)每一時(shí)間齡期做1 組試塊，每組3 個(gè)100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件做抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。制備試件后移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，根據(jù)齡期進(jìn)行混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3．1 試驗(yàn)結(jié)果

按照GB/T 50081—2002 普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[8]分別測(cè)試碳化硅外摻量為0%，3%，5%，7%，10%五種摻量混凝土的7 d，14 d，21 d 和28 d 立方體抗壓強(qiáng)度。立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3，表3 中每個(gè)數(shù)據(jù)取3 個(gè)試件實(shí)測(cè)結(jié)果平均值。

表3 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3．2 結(jié)果分析

圖1，圖2 分別給出了不同摻量黑色碳化硅和綠色碳化硅對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響。由圖1，圖2 可見，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度呈增長趨勢(shì)，與無外摻混凝土相比較，3%，5%摻量碳化硅混凝土各齡期立方體抗壓強(qiáng)度提高更明顯。當(dāng)外摻量小于5%時(shí)，隨著碳化硅摻量增大，各齡期抗壓強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)，5%摻量碳化硅混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。對(duì)外摻黑色碳化硅的混凝土立方體，7 d，14 d，21 d，28 d 的抗壓強(qiáng)度分別提高了31%，34%，44%，18%，對(duì)外摻綠色碳化硅的混凝土立方體，7 d，14 d，21 d，28 d 的抗壓強(qiáng)度分別提高了57%，58%，48%，23%。當(dāng)摻量大于5%小于10%時(shí)，隨著碳化硅摻量增大，各齡期抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯遞減趨勢(shì)。

圖1 不同摻量黑色碳化硅抗壓強(qiáng)度比較

圖2 不同摻量綠色碳化硅抗壓強(qiáng)度比較

圖3，圖4 分別給出3%，5%摻量的黑色碳化硅和綠色碳化硅與無外摻混凝土強(qiáng)度相比較。由圖3，圖4 可見，與無外摻混凝土相比，3%，5%摻量碳化硅的立方體抗壓強(qiáng)度均有所提升，5%摻量碳化硅的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度提高更明顯一些，其中5%摻量的綠色碳化硅混凝土抗壓強(qiáng)度增長幅度最大。

圖3 3%摻量碳化硅抗壓強(qiáng)度比較

圖4 5%摻量碳化硅抗壓強(qiáng)度比較

圖5，圖6 分別給出了7%，10%摻量的黑色碳化硅和綠色碳化硅與無外摻混凝土強(qiáng)度相比較，由圖5，圖6 可見，7 d 時(shí)7% 和10% 摻量的黑色碳化硅混凝土出現(xiàn)了強(qiáng)度低于無外摻混凝土強(qiáng)度的現(xiàn)象。隨著齡期的增長7% 摻量碳化硅的混凝土立方體14 d，21 d 強(qiáng)度逐漸增長且高于無外摻混凝土強(qiáng)度，但增長幅度趨于平緩，28 d 時(shí)外摻碳化硅混凝土立方體強(qiáng)度低于無外摻混凝土抗壓強(qiáng)度。隨著齡期增長，10%摻量碳化硅的混凝土立方體14 d，21 d，28 d 增長幅度趨于平緩，幾乎無增長，且低于28 d 無外摻混凝土抗壓強(qiáng)度。

圖5 7%摻量碳化硅抗壓強(qiáng)度比較

圖6 10%摻量碳化硅抗壓強(qiáng)度比較

普通水泥的平均粒徑為10 μm ～20 μm，如果在該體系中摻入極小粒徑的碳化硅，由于碳化硅摻入后能發(fā)揮較好的微集料填充作用，填充骨架及內(nèi)部缺陷、增加漿體含量、加速水化物生成，使硬化漿體結(jié)構(gòu)和膠結(jié)面更為致密，混凝土強(qiáng)度提高。但是碳化硅摻量的增加并不會(huì)一直使強(qiáng)度增加，由試驗(yàn)可知，碳化硅在該體系中有一個(gè)最合適摻量(5%) ，此時(shí)水化物晶體的致密性達(dá)到最大化，并且復(fù)合體系的混凝土抗壓強(qiáng)度可以最大化，低于或者高于這個(gè)最合適摻量都達(dá)不到這個(gè)效果，當(dāng)摻量大于5%時(shí)隨著碳化硅顆粒的持續(xù)增加，水泥砂漿顆粒的間距會(huì)減小，會(huì)使水化物晶體的生長空間被壓縮，從而使硬化的水泥變得疏松，最終導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度下降[9]。

4 結(jié)語

1) 碳化硅的適量摻入有利于混凝土的各個(gè)齡期強(qiáng)度的增強(qiáng)，隨著碳化硅的摻入混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長、達(dá)到峰值后而下降的趨勢(shì)。當(dāng)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)，碳化硅的摻量為5%。當(dāng)摻量超過5%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且出現(xiàn)強(qiáng)度低于無外摻混凝土的現(xiàn)象。2) 綠色碳化硅的適量摻入對(duì)于混凝土強(qiáng)度的提升，要明顯好于黑色碳化硅的摻入。因此，要提高混凝土的強(qiáng)度，建議優(yōu)選綠色碳化硅。