劉常濤

納米材料對再生混凝土抗凍性能的影響

劉常濤

福州理工學(xué)院 建筑學(xué)院, 福建 福州 350000

本文制備了納米再生混凝土樣品并分析了凍融循環(huán)作用下樣品的抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失率和相對彈性模量等基本抗凍性能。結(jié)果表明：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和相對彈性模量逐漸降低，質(zhì)量損失率先減小后增大；納米材料可以有效提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和相對彈性模量、降低質(zhì)量損失率，最佳納米二氧化硅摻量為4%。

混凝土; 納米材料; 抗凍性能

混凝土材料設(shè)計(jì)使用壽命一般為50 a，然而實(shí)際使用壽命往往達(dá)不到[1,2]。添加納米材料可以有效提高混凝土的使用壽命[3,4]，其中納米二氧化硅是一種常用的納米材料，將其加入混凝土中可以有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)特性[5-7]。而粉煤灰和建筑廢棄物是主要的固體廢棄物，占用土地污染環(huán)境[8,9]。因此，為了提高混凝土的抗凍性能，本文在混凝土中加入納米二氧化硅，同時(shí)加入粉煤灰和再生粗骨料以消耗固體廢棄料，降低環(huán)境污染。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

納米材料再生混凝土的試驗(yàn)材料由膠凝材料、細(xì)骨料、粗骨料和攪拌水組成。其中，膠凝材料包括水泥、粉煤灰和納米材料，化學(xué)成分如表1所示。

表 1 水泥、粉煤灰、納米材料的化學(xué)成分

納米材料再生混凝土的基本材料配比如表2所示。膠凝材料中納米二氧化硅的摻量為2%、4%、6%和8%，粉煤灰摻量為30%；細(xì)骨料為河砂；粗骨料為天然粗骨料和再生粗骨料，其中再生粗骨料摻量為30%；水灰比為0.4。

表 2 材料配比

為了保證納米再生混凝土中納米二氧化硅在混凝土中均勻分布，采用如圖1所示的攪拌模式：首先，將粗骨料和細(xì)骨料共同攪拌3 min；然后，加入30%膠凝材料攪拌3 min；接著，加入超聲波分散8 min的含納米二氧化硅的攪拌水?dāng)嚢? min；最后，加入剩余70%膠凝材料攪拌3 min。

圖 1 混凝土攪拌過程

當(dāng)再生粗骨料摻量為30%時(shí)，不同納米二氧化硅摻量條件下混凝土的坍落度變化曲線如圖2所示。由圖可知，不摻加納米二氧化硅時(shí)，再生混凝土的坍落度為205 mm；隨著納米二氧化硅摻量的增大，再生混凝土的坍落度呈急劇減小的趨勢；當(dāng)納米二氧化硅摻量為8%時(shí)，再生混凝土的坍落度僅為110 mm。原因在于，納米二氧化硅具有很大的比表面積，與水泥漿進(jìn)行拌合時(shí)會(huì)消耗大量的自由水，導(dǎo)致再生混凝土的流動(dòng)性急劇降低，因此，納米二氧化硅摻量越大，為保證混凝土的和易性，減水劑的摻量也應(yīng)相應(yīng)增大。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

不同納米二氧化硅摻量條件下再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖3所示。由圖可以看出，不同納米二氧化硅摻量條件下再生混凝土的抗壓強(qiáng)度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小；但摻加納米二氧化硅后，相同凍融次數(shù)下再生混凝土抗壓強(qiáng)度的下降幅度要明顯小于基準(zhǔn)再生混凝土。以凍融循環(huán)次數(shù)200為例，基準(zhǔn)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度為28.4 MPa，比凍融前減小了14 MPa；而摻加納米二氧化硅2%、4%、6%和8%時(shí)，再生混凝土抗壓強(qiáng)度則分別為35.5MPa、38.4MPa、36.7 MPa、34.4 MPa，比凍融前減小了10.1 MPa，9.7 MPa，9.2 MPa和9.7 MPa。可見，納米二氧化硅的加入不僅可以提高再生混凝土凍融前的抗壓強(qiáng)度，而且可以減小再生混凝土在凍融后的抗壓強(qiáng)度損傷。究其原因在于，一方面，納米二氧化硅存在填充效應(yīng)，可以提高再生混凝土的密實(shí)度，減小凍融循環(huán)過程中再生混凝土內(nèi)部孔隙水的含量，進(jìn)而降低再生混凝土的凍脹破壞壓力；另一方面，納米二氧化硅存在活性效應(yīng)，可與水泥發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成硬度更大的C-S-H凝膠，提高再生混凝土的整體抗壓能力。

圖 2 混凝土的坍落度變化曲線

圖 3 凍融循環(huán)作用下納米再生混凝土的抗壓強(qiáng)度

2.2 質(zhì)量損失率

不同凍融循環(huán)次數(shù)下，納米二氧化硅改性再生混凝土的質(zhì)量損失率分布如圖4a所示。不摻加納米二氧化硅時(shí)，基準(zhǔn)再生混凝土先是在凍融次數(shù)為50次時(shí)，因吸收凍融水量大于剝落量而導(dǎo)致質(zhì)量增加，而后隨著凍融次數(shù)增加，因剝落量逐漸增大而導(dǎo)致質(zhì)量損失率也相應(yīng)增大，至凍融次數(shù)為250次時(shí)，基準(zhǔn)再生混凝土的質(zhì)量損失率接近6%，達(dá)到有效工作的極限。而摻加納米二氧化硅后，由于納米二氧化硅的填充與活性效應(yīng)，相同凍融次數(shù)下再生混凝土的質(zhì)量損失率均明顯下降，尤其是納米二氧化硅摻量為4%時(shí)，納米二氧化硅對再生混凝土的改性作用最好。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為250次時(shí)，2%、4%、6%和8%納米二氧化硅摻量的再生混凝土質(zhì)量損失率比基準(zhǔn)混凝土減小了31.6%、54.4%、47.4%和24.6%。

2.3 相對彈性模量

不同凍融循環(huán)次數(shù)下，納米二氧化硅改性再生混凝土的相對彈性模量分布如圖4b所示。由于凍融循環(huán)次數(shù)的增加，再生混凝土剝落量以及內(nèi)部損傷都逐漸增大，導(dǎo)致再生混凝土的彈性模量也逐漸下降且下降速率越來越快；但相同凍融循環(huán)次數(shù)下，納米二氧化硅改性再生混凝土的彈性模量要明顯大于基準(zhǔn)再生混凝土。以凍融循環(huán)次數(shù)為200次為例，2%、4%、6%和8%納米二氧化硅摻量的再生混凝土相對彈性模量分別比基準(zhǔn)混凝土提高了18.8%、27.7%、24.7%和13.2%。之所以出現(xiàn)這種變化的原因是，當(dāng)納米二氧化硅摻量小于4%時(shí)，納米二氧化硅摻量越大，其填充和活性作用就越明顯，越有助于提高再生混凝土的密實(shí)度和均勻性；而納米二氧化硅摻量大于4%時(shí)，過量的納米二氧化硅就容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部缺陷增大，反而減弱再生混凝土的抗凍性能。由本文試驗(yàn)結(jié)果可知，4%納米二氧化硅摻量對再生混凝土的抗凍性能改性最好。

(a) 質(zhì)量損失率 Quality loss rate (b) 相對彈性模量 Relative elasticity modulus

3 結(jié) 論

（1）不同納米二氧化硅摻量條件下再生混凝土的抗壓強(qiáng)度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減?。坏珦郊蛹{米二氧化硅后，相同凍融次數(shù)下再生混凝土抗壓強(qiáng)度的下降幅度要明顯小于基準(zhǔn)再生混凝土；

（2）納米材料再生混凝土的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)了先減小后增大的現(xiàn)象；而相對彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而減小；

（3）相同凍融次數(shù)下，相對基準(zhǔn)再生混凝土，納米二氧化硅改性再生混凝土的質(zhì)量損失率明顯下降而相對彈性模量明顯提高；其中，4%納米二氧化硅摻量對再生混凝土的抗凍性能改性最好。

[1] 余紅發(fā),孫偉,麻海燕,等.混凝土使用壽命預(yù)測方法的研究Ⅲ--混凝土使用壽命的影響因素及混凝土壽命評價(jià)[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào),2002,30(6):696-701

[2] 袁連旺.納米SiO2改性混凝土的抗氯離子滲透和抗凍性能研究[D].濟(jì)南:濟(jì)南大學(xué),2017

[3] 王景賢,王立久.納米材料在混凝土中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].混凝土,2004(11):18-21

[4] 王彩輝,蔣金洋,任春福,等.基于無機(jī)納米混凝土的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2011(s1):41-44

[5] 申春梅,崔艷艷.鋼渣-復(fù)摻納米SiO2混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].混凝土,2016(11):24-27

[6] 崔艷艷,申春梅.鋼渣-復(fù)摻納米SiO2混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料,2017,44(6):16-19

[7] 陳剛,高丹盈,王東,等.鋼纖維納米SiO2混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,43(6):77-80

[8] 孫叢濤,宋華,牛荻濤,等.粉煤灰混凝土的氯離子結(jié)合性能[J].建筑材料學(xué)報(bào),2016,19(1):35-39

[9] 肖建莊,李佳彬,孫振平,等.再生混凝土的抗壓強(qiáng)度研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,32(12):1558-1561

The Effect of Nanomaterials on Anti-frost Performance of Recycled Concrete

LIU Chang-tao

350000,

The samples of the nanometer recycled concrete were prepared and analyzed the compressive strength, mass loss rate and relative elasticity modulus etc under the action of freeze-thaw cycle. The results showed that with the increase of freeze-thaw cycles, the compressive strength and relative elastic modulus of recycled concrete decreased gradually, the mass loss rate decreased and then increased. Nanomaterials could effectively improve the compressive strength and relative elastic modulus of recycled concrete, and reduced the mass loss rate. The optimum content of nano silica was 4%.

Concrete; Nanomaterials; anti-frost performance

TU528.01

A

1000-2324(2019)04-0601-03

2018-06-20

2018-07-04

2017年福建省教育廳中青年教師科研項(xiàng)目(JAT170787);福建省本科高校教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(FBJG20190119)

劉常濤(1984-),男,碩士,講師,主要研究方向?yàn)橥聊竟こ? E-mail:82021587@qq.com