納米碳酸鈣對(duì)聚丙烯纖維混凝土抗凍性能影響的試驗(yàn)研究

李明偉，楊興階，譚 靚

(湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司，武漢 430030)

1 研究背景

隨著水利工程建設(shè)水平的不斷提升，強(qiáng)度低且功能單一的傳統(tǒng)混凝土已經(jīng)不能適應(yīng)工程項(xiàng)目建設(shè)的需要，而高強(qiáng)度、高性能、復(fù)合化的混凝土材料已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。在這一領(lǐng)域，復(fù)合化已經(jīng)成為混凝土材料發(fā)展和創(chuàng)新、獲取高性能水工混凝土的重要途徑。在當(dāng)前的水工混凝土制備領(lǐng)域，大多需要摻加混合材和外加劑，以提高混凝土的各種性能，以實(shí)現(xiàn)水工混凝土材料的適用、耐久、經(jīng)濟(jì)的目的[2]。鑒于水利工程對(duì)混凝土的抗裂性能具有較高的要求，摻加各種纖維材料可以大幅提升混凝土的早期抗裂性能，提高水工結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性和耐久性，直接促進(jìn)纖維混凝土在水利工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，而聚丙烯纖維也成為水工混凝土制備過(guò)程中最常用的外加纖維，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

納米材料作為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的新材料，在混凝土制備領(lǐng)域也具有良好的發(fā)展前景。目前，作為混凝土的添加劑，最常見(jiàn)的有納米二氧化硅、納米硅粉、碳納米管和納米碳酸鈣等，將這些納米材料摻入水工混凝土中，可以有效改善混凝土的性能。其中，納米碳酸鈣屬于一種惰性顆粒、活性低的固體微分材料，與其他納米材料相比，具有十分顯著的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，其價(jià)格僅有納米二氧化硅的1/10左右，其推廣應(yīng)用具有重要的工程價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3]。另一方面，對(duì)于北方寒區(qū)的水利工程，其混凝土結(jié)構(gòu)往往需要面臨凍融循環(huán)作用的影響，是影響工程耐久性的重要因素[4]。

目前，關(guān)于納米碳酸鈣對(duì)水工混凝土的影響，主要集中于力學(xué)性能的研究方面，對(duì)其混凝土抗凍性影響的研究不多?；诖耍敬窝芯客ㄟ^(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討納米碳酸鈣對(duì)聚丙烯纖維混凝土抗凍性能的影響，可為其在北方寒區(qū)水利工程中的應(yīng)用提供支持和參考。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

水泥是水工混凝土制備中最重要的膠凝材料，不僅需要較高的強(qiáng)度等級(jí)，還應(yīng)該與減水劑具有良好的相容性。本次試驗(yàn)采用的是南方水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。經(jīng)測(cè)定，其細(xì)度模數(shù)、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及初凝、終凝時(shí)間均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以用于試驗(yàn)研究。粉煤灰是水工混凝土中常用摻合料，可以改善混凝土的諸多性能，本次試驗(yàn)選擇的是德比粉煤灰工程設(shè)備有限公司生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰。

試驗(yàn)用細(xì)骨料為普通河沙，細(xì)度模數(shù)為2.65，為中砂，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《建設(shè)用砂》(GB/T 14684-2011)的相關(guān)規(guī)定。試驗(yàn)用粗骨料為人工石灰石碎石，其特點(diǎn)為質(zhì)地堅(jiān)硬，含泥量小，表觀密度大，吸水率小，其粒徑范圍為5～10mm，各項(xiàng)指標(biāo)均符合《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)的要求。

試驗(yàn)中的納米碳酸鈣為湖州生產(chǎn)，平均粒徑為35 nm，純度為98.9%，比表面積為43 m2/g。試驗(yàn)中使用的聚丙烯纖維為天津海港保溫材料有限公司出品，其切長(zhǎng)為3 mm，直徑為18 μm，拉伸屈服強(qiáng)度為579 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為27.6%。

試驗(yàn)中使用的減水劑為蘇州市興邦化學(xué)建材有限公司生產(chǎn)的SUNBO-1030 聚羧酸系高性能減水劑；試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中制備水工混凝土領(lǐng)域常用的C35混凝土試件。按照相關(guān)施工規(guī)范，混凝土的水灰比為0.45。其中，每m3材料用量為：水160 kg，水泥325 kg，粉煤灰75kg，細(xì)骨料690 kg，粗骨料1100 kg，聚丙烯纖維1.5kg，減水劑2.5kg。

為了研究不同納米碳酸鈣摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)合相關(guān)研究結(jié)論和工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%等7種不同的納米碳酸鈣摻量水平進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 試件制作

由于納米碳酸鈣的粒徑級(jí)小，且具有良好的表面活性，在使用過(guò)程中易發(fā)生凝聚反應(yīng)，從而影響材料性能的發(fā)揮[5]。因此，在試件制作過(guò)程中，需要首先制作納米碳酸鈣分散液，然后再與骨料混合制作混凝土[6]。具體過(guò)程如下：首先根據(jù)試驗(yàn)方案稱量好各種材料，然后將減水劑混合于水，并加入納米碳酸鈣進(jìn)行超聲分散，時(shí)間為5min；將粗骨料、細(xì)骨料、水泥、粉煤灰和聚丙烯纖維依次加入離心攪拌機(jī)攪拌3 min，再加入制作好的分散液繼續(xù)攪拌3min；將制作好的納米碳酸鈣混凝土裝入100mm×100mm×100mm的立方體試模，邊裝入邊插搗，最后在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)30s成型。將制作好的混凝土試件在陰涼通風(fēng)處?kù)o置24h后拆模編號(hào)，然后立即放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室在保準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)規(guī)定齡期[7]。

2.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備使用的是快速凍融箱，主要由凍融設(shè)備系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成。試驗(yàn)前，先將試件放在清水中浸泡96h，然后擦干表面的水分，并稱重、測(cè)量、編號(hào)和記錄。每次凍融試驗(yàn)的時(shí)間設(shè)定為4 h，其中凍結(jié)時(shí)間為3 h，融化時(shí)間為1 h，試驗(yàn)中共進(jìn)行50次凍融試驗(yàn)，并記錄好相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[8]。在試驗(yàn)過(guò)程中，試塊的質(zhì)量采用電子秤稱量測(cè)定；動(dòng)彈模量使用混凝土動(dòng)彈模量測(cè)定儀測(cè)定；試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度利用微機(jī)控制電伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中，每個(gè)方案測(cè)試3個(gè)試件，以其均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量損失率

對(duì)不同納米碳酸鈣摻量水平下的混凝土試件進(jìn)行凍融試驗(yàn)，每10次凍融試驗(yàn)測(cè)量一次試件質(zhì)量，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的質(zhì)量損失率，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，在不同的凍融循環(huán)次數(shù)下，摻加納米碳酸鈣混凝土試塊的質(zhì)量損失率均明顯小于未摻加尼龍纖維的混凝土試塊。由此可見(jiàn)，在混凝土中摻加納米碳酸鈣可有效降低凍融循環(huán)下聚丙烯纖維混凝土的質(zhì)量損失率，對(duì)提高混凝土的抗凍性能具有顯著的作用，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

表1 質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步分析納米碳酸鈣摻量對(duì)混凝土質(zhì)量損失率的影響，根據(jù)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，繪制質(zhì)量損失率隨納米碳酸鈣摻量的變化曲線，見(jiàn)圖1。由圖1可以看出，隨著納米碳酸鈣摻量的增加，混凝土試件的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先迅速下降后趨于穩(wěn)定然后小幅上升的變化特點(diǎn)，當(dāng)納米碳酸鈣摻加量為2.0%時(shí)，混凝土試塊的質(zhì)量損失率最小。鑒于納米碳酸鈣摻量大于1.5%時(shí)，質(zhì)量損失率的變幅較小，因此從質(zhì)量損失率的角度來(lái)看，其最佳摻量為1.5%。

圖1 質(zhì)量損失率隨納米碳酸鈣摻量變化曲線

3.2 相對(duì)動(dòng)彈模量

根據(jù)動(dòng)彈模量試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算獲取不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件的相對(duì)動(dòng)彈模量，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，摻加納米碳酸鈣混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈模量均大于未摻加納米碳酸鈣的混凝土試塊。由此可見(jiàn)，在混凝土中摻加納米碳酸鈣，有助于提高凍融循環(huán)下混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈模量。

表2 相對(duì)動(dòng)彈模量試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制相對(duì)動(dòng)彈模量隨納米碳酸鈣摻量的變化曲線，見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，隨著納米碳酸鈣摻量的增加，混凝土試塊的相對(duì)動(dòng)彈模量呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定再小幅減小的變化特點(diǎn)。從具體的數(shù)值來(lái)看，雖然納米碳酸鈣摻量為2.0%時(shí)的試件相對(duì)動(dòng)彈模量最大，但與摻量1.5%相比，增幅較為有限。結(jié)合相對(duì)動(dòng)彈模量試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)濟(jì)性，其最佳摻量水平應(yīng)為1.5%。

圖2 相對(duì)動(dòng)彈模量隨納米碳酸鈣摻量變化曲線

3.3 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度損失率也是混凝土抗凍性能的重要指標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算試件的抗壓強(qiáng)度損失率，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，摻加納米碳酸鈣的混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度損失率明顯偏小，說(shuō)明在混凝土中摻加納米碳酸鈣可有效提高凍融循環(huán)下混凝土的抗壓強(qiáng)度。

表3 抗壓強(qiáng)度損失率試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制抗壓強(qiáng)度損失率隨納米碳酸鈣摻量的變化曲線，見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，隨著納米碳酸鈣摻量的增加，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度損失率呈現(xiàn)出先迅速減小后趨于穩(wěn)定然后小幅增加的變化特點(diǎn)。從具體的數(shù)值來(lái)看，雖然納米碳酸鈣摻量為2.0%時(shí)的試件抗壓強(qiáng)度損失率最小，但與摻量1.5%的試驗(yàn)結(jié)果十分接近。結(jié)合工程經(jīng)濟(jì)性，認(rèn)為納米碳酸鈣的最佳摻量水平應(yīng)為1.5%。

圖3 抗壓強(qiáng)度損失率隨納米碳酸鈣摻量變化曲線

4 結(jié) 論

本次研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了納米碳酸鈣及其摻量對(duì)聚丙烯纖維混凝土抗凍性的影響，結(jié)論如下：

1)在聚丙烯纖維混凝土中摻加納米碳酸鈣，可以降低質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率，提高相對(duì)動(dòng)彈模量。

2)隨著納米碳酸鈣摻量的增加，聚丙烯纖維混凝土的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率呈現(xiàn)出先減小后趨于穩(wěn)定再小幅增加的變化特點(diǎn)，相對(duì)動(dòng)彈模量呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定再小幅減小的變化特點(diǎn)。

3)當(dāng)納米碳酸鈣摻量為2.0%時(shí)，聚丙烯纖維混凝土的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率最小，相對(duì)動(dòng)彈模量最大。

4)鑒于1.5%和2.0%納米碳酸鈣摻量的試驗(yàn)結(jié)果十分接近，考慮工程的經(jīng)濟(jì)性，建議在工程應(yīng)用中摻加1.5%的納米碳酸鈣。