梁 博，馬芹永,2

(1. 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

面對自然環(huán)境不斷惡化以及人們對混凝土性能要求不斷提高，混凝土綠色化和高性能化受到了國內(nèi)外學(xué)者和工程界的廣泛關(guān)注[1]。混凝土綠色化和高性能化是指混凝土使用的材料能夠減少能耗、節(jié)約不可再生資源和減少對環(huán)境的破壞，且本身具有優(yōu)良的工作性、力學(xué)性能、耐久性等優(yōu)點[2]。因此，混凝土的發(fā)展必將是綠色化和高性能化二者相結(jié)合的趨勢。

超細(xì)粉煤灰是一種亞微米、正球狀且表面多為光滑致密的玻璃微珠，由機(jī)械粉磨、電收塵氣流等工藝篩選出[3]，適量摻入混凝土可以有效提高混凝土拌合物的和易性，并具有較好的減水效應(yīng)[4]，其主要活性成分SiO2、Al2O3可以和水泥水化過程產(chǎn)生的Ca(OH)2進(jìn)行“二次反應(yīng)”生成水化硅酸凝膠和水化鋁酸鈣晶體，從而填充混凝土結(jié)構(gòu)中的孔隙，提高混凝土的強度[5-6]。用超細(xì)粉煤灰代替部分水泥，既有效降低水泥用量，提高混凝土強度又充分利用燃煤電廠副產(chǎn)物粉煤灰，達(dá)到了互利雙贏的效果。

納米SiO2是一種無定形物質(zhì)，粒徑一般在20nm左右[7]，因粒徑較小，表面有大量不飽和Si-O殘鍵和不同鍵合狀態(tài)的羥基，所以納米SiO2具有較高的反應(yīng)活性[8]。適量摻入混凝土中能夠與水泥水化過程產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，從而改善水泥漿體結(jié)構(gòu)以及與骨料粘結(jié)界面結(jié)構(gòu)，密實混凝土微結(jié)構(gòu)，提高混凝土的各種力學(xué)性能，尤其是早期力學(xué)性能[9-11]。但納米SiO2較好的火山灰活性和極大的表面積使水化時放熱速率及標(biāo)準(zhǔn)需水量急劇增加[12-13]。

為制備綠色高性能混凝土，本文在超細(xì)粉煤灰混凝土中摻入納米SiO2，通過改變納米SiO2的摻量，分析了納米SiO2摻量對超細(xì)粉煤灰混凝土抗壓和劈裂抗拉強度及破壞形態(tài)的影響，為工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥選用八公山牌，規(guī)格為42.5級普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料選用淮河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；粗骨料選用粒徑5～10mm的級配碎石；水選用自來水。

超細(xì)粉煤灰選用深圳道特有限公司產(chǎn)品，顆粒形態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)球形，顏色為灰白色，球體密度為2.6g/cm3，細(xì)度≤10μm，含水率≤1 %，燒失量≤5；納米SiO2選用南京海泰納米材料有限公司產(chǎn)品，型號為HTSi-01，顏色為白色粉體，平均粒徑≤20nm，比表面積為600m2/g，堆積密度≥0.035g/cm3，干燥失重≥5.1%，SiO2元素含量≥99.1；高性能減水劑選用粉體聚羧酸，加入量為膠凝材料的0.16 %，減水率為15 %。

1.2 試驗方法

混凝土強度設(shè)計等級為C40，配合比的設(shè)計依據(jù)JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》其試驗配合比為水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.20∶2.30∶0.42，砂率為34 %。超細(xì)粉煤灰采用內(nèi)摻方法等量替代水泥0 %、15 %、20 %，納米SiO2采用內(nèi)摻方法等量替代水泥0 %、0.6 %、0.8 %、1.0 %、1.2 %、1.4 %。

試驗的試件制作方法依據(jù)GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，其尺寸為150mm×150mm×150mm，每組6塊，3塊為抗壓試件，3塊為劈裂抗拉試件，制備好后養(yǎng)護(hù)24h后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行力學(xué)性能測試。通過TYE-2000型壓力試驗機(jī)測試試件的抗壓和劈裂抗拉強度以及通過試件的抗壓和劈裂抗拉的破壞形態(tài)研究試件的力學(xué)性能。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 納米SiO2混凝土壓拉強度分析

納米SiO2混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強度試驗結(jié)果如表1所示。

表1 納米SiO2混凝土壓拉強度試驗 MPa

注：N代表納米SiO2；CXF代表超細(xì)粉煤灰，后面數(shù)字分別代表納米SiO2和超細(xì)粉煤灰替代水泥質(zhì)量的百分比。

為更加直觀的觀察納米SiO2對普通混凝土抗壓和劈裂抗拉強度的影響，通過式(1)和式(2)將表1中不同摻量的納米SiO2下混凝土抗壓和劈裂抗拉強度換算成普通混凝土抗壓和劈裂抗拉強度的相對百分率，用其相對百分率繪制圖1和圖2。

(1)

(2)

式(1)中：ηc為抗壓強度相對百分率；fc為不同摻量納米SiO2下混凝土抗壓強度；fc0為普通混凝土抗壓強度。

式(2)中：ηt為劈裂抗拉強度相對百分率；ft為不同摻量納米SiO2下混凝土劈裂抗拉強度；ft0為普通混凝土劈裂抗拉強度。

圖1 納米SiO2摻量與抗壓強度相對百分率的關(guān)系

圖2 納米SiO2摻量與劈裂抗拉強度相對百分率的關(guān)系

由圖1和圖2可知，納米SiO2混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強度伴隨納米SiO2加入量的增大呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，當(dāng)納米SiO2加入量在0.8 %左右時，試件的抗壓和劈裂抗拉強度增幅效果最好，此時混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度為64.88MPa和6.42MPa相對普通混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度提高了15.94 %和16.94 %； 當(dāng)納米SiO2加入量大于0.8 %時， 試件抗壓和劈裂抗拉強度逐漸減小； 當(dāng)納米SiO2加入量大于1.2 %時。 混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度均小于普通混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度。 原因在于適量的納米SiO2加入普通混凝土中可以和水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2生成C-S-H凝膠，其顆?？梢蕴畛淦胀ɑ炷恋奈⑿】紫逗退a(chǎn)物內(nèi)部的孔隙，從而使得普通混凝土結(jié)構(gòu)更加密實，強度得到較好改善，但納米SiO2過量加入普通混凝土中不僅不會提高混凝土強度，反而會影響混凝土的強度。因為當(dāng)納米 SiO2摻入混凝土的量過高時，會使得納米 SiO2在混凝土中分布不均勻，而且納米 SiO2顆粒比表面積極大，與水拌合后其表層吸附了大量水，從而減少參與水化反應(yīng)的水量[14]。

2.2 納米SiO2超細(xì)粉煤灰混凝土壓拉強度分析

納米SiO2超細(xì)粉煤灰混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強度試驗結(jié)果如表2所示。

將表2不同摻量的納米SiO2下超細(xì)粉煤灰混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強度繪制圖3和圖4。

表2 納米SiO2超細(xì)粉煤灰混凝土壓拉強度試驗 MPa

圖3 納米SiO2摻量與超細(xì)粉煤灰混凝土抗壓強度的關(guān)系

圖4 納米SiO2摻量與超細(xì)粉煤灰混凝土劈裂抗拉強度的關(guān)系

由圖3和圖4可知，N-0-CXF-15試件的抗壓和劈裂抗拉強度優(yōu)于N-0-CXF-20試件的抗壓和劈裂抗拉強度；當(dāng)超細(xì)粉煤灰混凝土中納米SiO2加入量一定時，摻量15 %超細(xì)粉煤灰的混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強度比摻量20 %超細(xì)粉煤灰的混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強度好，當(dāng)納米SiO2加入量小于1.0 %時，伴隨納米SiO2加入量的增加，超細(xì)粉煤灰混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強度也逐漸增大；當(dāng)納米SiO2摻量為1.0 %時，摻量15 %超細(xì)粉煤灰的混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強度為64.64MPa和6.38MPa，摻量20 %超細(xì)粉煤灰的混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強度為64.41MPa和6.31MPa，此時超細(xì)粉煤灰混凝土試件抗壓和劈裂抗拉強度增強效果最好；當(dāng)納米SiO2加入量大于1.0 %時，超細(xì)粉煤灰混凝土試件強度均急劇減小。原因在于普通混凝土中加入適量的超細(xì)粉煤灰和納米SiO2參與了水化反應(yīng)以及亞微米和納米顆粒起到的微集料物理填充效應(yīng)，同時可以利用各自的優(yōu)勢彌補對方的不足，從而大大改善了普通混凝土強度。文獻(xiàn)[15]研究了納米SiO2對水泥粉煤灰體系水化硬化作用研究，試驗結(jié)果顯示，粉煤灰水泥基材料中加入適量直徑為20nm的納米SiO2能夠有效的提高其28 d抗壓強度。

2.3 混凝土試件抗壓和劈裂抗拉破壞形態(tài)分析

圖5為N-0-CXF-15和N-1.0-CXF-15混凝土試件抗壓達(dá)到峰值應(yīng)力時的破壞形態(tài)，由圖5可知，N-0-CXF-15和N-1.0-CXF-15混凝土試件抗壓破壞時的過程為：開始在靠近混凝土側(cè)邊出現(xiàn)豎向微裂縫并且伴有混凝土碎片剝落，達(dá)到峰值應(yīng)力時混凝土側(cè)邊裂縫逐漸變寬且出現(xiàn)較大混凝土碎片掉落，其破壞形態(tài)為脆性破壞。但N-0-CXF-15試件抗壓破壞過程中剝落的碎片明顯比N-1.0-CXF-15試件抗壓破壞過程中剝落的碎片多而且大，N-0-CXF-15試件達(dá)到峰值應(yīng)力破壞的裂縫同樣比N-1.0-CXF-15試件達(dá)到峰值應(yīng)力破壞的裂縫多。由此說明復(fù)摻15%超細(xì)粉煤灰和1.0 %納米SiO2的混凝土抗壓性能好于單摻15 %超細(xì)粉煤灰的混凝土抗壓性能。

圖5 試件抗壓在峰值應(yīng)力時的破壞形態(tài)

圖6為N-0-CXF-15和N-1.0-CXF-15試件的劈裂抗拉破壞形態(tài)，由圖6可知，N-0-CXF-15和N-1.0-CXF-15試件在破壞時，呈現(xiàn)出一條明顯的貫穿主裂縫，而且這條貫穿裂縫擴(kuò)展很迅速，表現(xiàn)為明顯的脆性破壞，但N-0-CXF-15試件最終劈裂抗拉破壞時主裂縫的寬度明顯大于N-1.0-CXF-15試件的主裂縫的寬度，而且N-0-CXF-15試件破壞的主裂縫旁還有一條短裂縫。由此說明，當(dāng)混凝土中復(fù)摻15%的超細(xì)粉煤灰和1.0 %的納米SiO2時，其劈裂抗拉性能優(yōu)于混凝土中單摻15 %的超細(xì)粉煤灰時的劈裂抗拉性能。

圖6 試件劈裂抗拉破壞形態(tài)

3 結(jié)論

1)普通混凝土試件中加入納米SiO2時，普通混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強度伴隨納米SiO2加入量的增大，出現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，當(dāng)納米SiO2加入量在0.8 %時，普通混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度增幅效果最佳。

2)當(dāng)納米SiO2在超細(xì)粉煤灰混凝土的摻量為1.0 %時，超細(xì)粉煤灰混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度增幅效果最好。摻量15 %超細(xì)粉煤灰的混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強度分別為64.64MPa和6.38MPa相對普通混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度提高了21.80%和16.21%，摻量20%超細(xì)粉煤灰的混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強度為64.41MPa和6.31MPa相對普通混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度提高了21.37 %和14.96 %。

3)摻入15 %超細(xì)粉煤灰混凝土中加入1.0 %的納米SiO2時，試件抗壓和劈裂抗拉破壞裂縫的寬度和數(shù)目明顯要小于普通混凝土試件裂縫的寬度和數(shù)目。

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