納米SiO2改性傳統(tǒng)陶?；炷良傲W(xué)性能研究

程興旺,張 超,冉旭勇,韓軍昭

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712000;2.中建鋼構(gòu)有限公司,四川 成都 620564)

鐵尾礦陶粒混凝土因其來(lái)源廣泛,價(jià)格低廉,在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛使用。但受陶粒自身強(qiáng)度的影響,陶?；炷恋牧W(xué)強(qiáng)度較低,對(duì)其應(yīng)用產(chǎn)生了極大的限制。為了提升陶粒混凝土性能,部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究。如通過(guò)優(yōu)化陶?；炷僚浔葍?yōu)化對(duì)混凝土進(jìn)行優(yōu)化[1]。通過(guò)往陶?；炷羶?nèi)添加粉煤灰增強(qiáng)其力學(xué)和干燥收縮性能,試驗(yàn)結(jié)果表明:該混凝土具有早強(qiáng)特征.缺水養(yǎng)護(hù)條件下,添加粉煤灰的蒸壓陶粒輕骨料混凝土殘余強(qiáng)度仍可達(dá)80%以上。蒸壓陶粒輕骨料混凝土的干燥收縮隨齡期增長(zhǎng)而增加,0%～30%摻量的粉煤灰對(duì)混凝土的干燥收縮無(wú)明顯影響[2]。以粉煤灰與硅粉替代部分水泥,優(yōu)化陶?；炷恋男阅躘3]。通過(guò)鋼纖維對(duì)陶?；炷恋哪透邷匦阅苓M(jìn)行優(yōu)化[4]?；诖?本試驗(yàn)以文獻(xiàn)[5]的方法為參考,通過(guò)納米二氧化硅對(duì)陶?；炷吝M(jìn)行改性,并對(duì)改性后陶?；炷亮W(xué)性能進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料:P·O42.5水泥(德翊機(jī)械);粉煤灰(I級(jí)),百益礦產(chǎn)品;減水劑(AR),鴻泉化工;鐵尾礦陶粒(I級(jí)),恒遠(yuǎn)利廢;砂(Ⅱ級(jí)),聚硅礦業(yè);納米二氧化硅(AR),博建精細(xì)化工。

主要設(shè)備:HN-1500型超聲波材料分散器(歐萊博技術(shù));YES-300型壓力試驗(yàn)機(jī)(研瑞測(cè)試儀器);EVO型掃描電鏡(同盛設(shè)備科技);JW750型水泥攪拌機(jī)(雷博機(jī)械設(shè)備)。

1.2 試驗(yàn)方法

(1)通過(guò)HN-1500型超聲波材料分散器將納米二氧化硅在水中分散,分散時(shí)間為45 min,得到懸浮液。將減水劑倒入懸浮液內(nèi),緩慢攪拌5 min使其混合均勻;

(2)將干料倒入攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行干拌,時(shí)間為2 min,然后倒入懸浮水劑,先攪拌2 min,之后靜置30 s;然后繼續(xù)攪拌2 min;

(3)提前對(duì)模具進(jìn)行刷油處理,然后將拌合物倒入模具中,在振動(dòng)臺(tái)的作用下振動(dòng)密實(shí),振動(dòng)時(shí)間為10 s,養(yǎng)護(hù)1 d脫模編號(hào)后,繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至指定齡期。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.3 性能測(cè)試

1.3.1和易性分析

參照GB 50080—2016 中的方法和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)改性陶?；炷恋暮鸵仔赃M(jìn)行分析[6-7]。

1.3.2表觀密度分析

以JGJ/T 12—2019 規(guī)定為指標(biāo),對(duì)陶?；炷恋谋碛^密度進(jìn)行測(cè)試[8]。

1.3.3抗壓強(qiáng)度測(cè)試

參照GB/T 50081—2016 通過(guò) YES-300型壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)混凝土力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試,加載速度為4 kN/s[9-10]。

抗壓強(qiáng)度表達(dá)式[11]:

(1)

式中:fCN為抗壓強(qiáng)度,MPa;N為破壞極限荷載,N;A為受壓面積,mm2。

1.3.4劈裂抗拉強(qiáng)度

參照GB/T 50081—2002通過(guò)壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)改性混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行測(cè)試,加載速度為0.4 kN/s[12]。

劈裂抗拉強(qiáng)度表達(dá)式為:

(2)

式中:fts為劈裂抗拉強(qiáng)度,MPa;F為極限載荷,N;A為試件破裂面面積,mm2。

彈性模量表達(dá)式為[13]:

(3)

式中:Ec為彈性模量,MPa;Fa為軸心抗壓強(qiáng)度三分之一的荷載值,N;F0為5MPa 的初始荷載值;A為試件橫切面積,mm2;L/Δn為橫向應(yīng)變值。

1.3.5微觀形貌

通過(guò)掃描混凝土內(nèi)部形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)性能分析

2.1.1和易性研究

以最高納米二氧化硅摻量為1.2%的混凝土為研究對(duì)象,對(duì)其和易性進(jìn)行分析,結(jié)果表明:該混凝土最小坍落度和擴(kuò)展度分別為177、376 mm,鐵尾礦陶粒均勻在混凝土試件中分布,幾乎不出現(xiàn)上浮現(xiàn)象,表面觀察不到裸露的尾礦陶粒和明顯孔洞,試件表面光滑,滿足GB 50080—2016 要求[14]。

2.1.2表觀密度

表2為表觀密度測(cè)試結(jié)果。

表2 表觀密度測(cè)試結(jié)果

由表2可知,在納米二氧化硅摻量為0.3%～1.5%時(shí),制備的混凝土表觀密度均未超過(guò) 1 950 kg/m3,滿足JGJ/T 12—2019 規(guī)定[15-16]。

2.2 微觀形貌分析

圖1為本試驗(yàn)制備的部分混凝土內(nèi)部形貌。

(a)a組普通混凝土

由圖1可知,納米二氧化硅在改性混凝土內(nèi)部均勻分散,對(duì)改性混凝土的納米孔隙起到一定的填充作用,孔隙和微裂縫明顯減少,混凝土的密實(shí)性增強(qiáng)[17]。但納米二氧化硅摻量過(guò)多時(shí),相互團(tuán)聚,無(wú)法對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙進(jìn)行填充。水化產(chǎn)物逐漸從絮狀從層狀轉(zhuǎn)化,最后變?yōu)槔鉅頪18]。絮狀的水化產(chǎn)物可以與膠凝材料結(jié)合的更為緊密,因此力學(xué)性能較高,而棱狀水化產(chǎn)物與膠凝材料結(jié)合會(huì)產(chǎn)生一些縫隙,影響其強(qiáng)度[19]。因此,在摻量較大的情況下,納米二氧化硅團(tuán)聚效應(yīng)也較大,此時(shí)在水泥基體中反而成為了薄弱點(diǎn),對(duì)改性混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生不良的影響,這一點(diǎn)在后續(xù)力學(xué)性能試驗(yàn)中會(huì)有體現(xiàn)。

2.3 抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)

圖2為抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

圖2 抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

由圖2可知,當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí),納米二氧化硅摻量為0.3%(b組)的混凝土抗壓強(qiáng)度最高為34.5 MPa,較普通混凝土提升了約33%。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí),A1組混凝土抗壓強(qiáng)度最高為52.8 MPa,較普通混凝土提升了約16.8%?？傮w來(lái)說(shuō),改性混凝土強(qiáng)度與納米二氧化硅摻量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。出現(xiàn)這個(gè)變化的主要原因在于,在混凝土內(nèi)部含有過(guò)量的納米二氧化硅時(shí),二氧化硅自身會(huì)發(fā)生團(tuán)聚,影響改性效果,對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出不良影響。

圖3為部分試件破壞形態(tài)。

圖3 混凝土破壞形態(tài)

由圖3可知,當(dāng)納米二氧化硅摻量較少(b組)時(shí),鐵尾礦幾乎完全被破壞。而納米二氧化硅摻量增多,界面開始出現(xiàn)結(jié)構(gòu)完整的鐵尾礦陶粒,且納米二氧化硅摻量越多,結(jié)構(gòu)完整的鐵尾礦越多。這就說(shuō)明體系內(nèi)納米二氧化硅摻量越多,參與受力的鐵尾礦陶粒顆粒就越少。而鐵尾礦陶粒所在的區(qū)域存在大孔隙,這在混凝土內(nèi)部是作為薄弱點(diǎn)存在的,其參與受力的鐵尾礦陶粒顆粒越少,薄弱點(diǎn)越多,則混凝土強(qiáng)度越差[20]。

2.4 劈裂強(qiáng)度

圖4為28 d混凝土劈裂強(qiáng)度。

圖4 劈裂抗拉測(cè)試結(jié)果

由圖4可知,當(dāng)納米二氧化硅摻量為0.6%時(shí),改性混凝土劈裂強(qiáng)度達(dá)到最高,為4.45 MPa,較普通混凝土劈裂強(qiáng)度提升了約51.7%。而納米二氧化硅摻量為0.3%時(shí),改性混凝土劈裂強(qiáng)度為3.69 MPa,較普通混凝土提升了約26%。出現(xiàn)這個(gè)變化的主要原因:受納米二氧化硅成核位置的影響,水泥水合作用加快,這對(duì)提升混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生積極的影響。同時(shí),納米二氧化硅獨(dú)有的納米尺寸對(duì)水泥漿的孔結(jié)構(gòu)有細(xì)化作用。再加上水泥漿體中的鈣離子會(huì)促進(jìn)納米二氧化硅形成團(tuán)聚體,納米二氧化硅團(tuán)聚體在水泥內(nèi)部會(huì)發(fā)揮類似于纖維的作用,改善了水泥基體的韌性和強(qiáng)度。而團(tuán)聚體表面的起皺與折疊效應(yīng)可以促進(jìn)水泥基體與納米二氧化硅纖維結(jié)合的更為充分,使其劈裂強(qiáng)度有一定增加。但體系內(nèi)納米二氧化硅摻量過(guò)多時(shí),在較大團(tuán)聚效應(yīng)的作用下,納米二氧化硅團(tuán)聚體自身力學(xué)性能下降,使得水泥基體增韌效應(yīng)消失,還會(huì)影響水泥基體的密實(shí)性,降低水泥基體的抗劈裂性能。

2.5 彈性模量

圖5為混凝土彈性模量測(cè)試結(jié)果。

圖5 彈性模量測(cè)試結(jié)果

由圖5可知,納米二氧化硅摻量幾乎不影響混凝土彈性模量。這是因?yàn)榛炷翉椥阅Ａ康闹饕绊懸蛩貫閯偠群腕w積,幾乎與材料內(nèi)部密實(shí)度無(wú)關(guān),因此納米二氧化硅對(duì)混凝土彈性模量影響不大。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)納米二氧化硅改性鐵尾礦陶?；炷?鐵尾礦陶粒不出現(xiàn)上浮現(xiàn)象;在所有摻量范圍內(nèi),混凝土表觀密度均未超過(guò) 1 950 kg/m3,表現(xiàn)出良好的工作性能;

(2)適量的納米二氧化硅會(huì)在混凝土內(nèi)部均勻分散,對(duì)納米孔隙起填充作用,增強(qiáng)混凝土內(nèi)部密實(shí)度。而過(guò)量的納米二氧化硅會(huì)相互團(tuán)聚,無(wú)法填充混凝土內(nèi)部的孔隙,還會(huì)在混凝土內(nèi)部形成薄弱區(qū),影響混凝土的力學(xué)性能;

(3)適量的納米二氧化硅對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均產(chǎn)生積極的影響,對(duì)彈性模量的影響不大。