陳成芹，張 微，覃 和，陳修樂

(1.西北民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅省新型建材與建筑節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

混凝土是我國的主要建筑材料，環(huán)顧周圍，我們所生活的環(huán)境就是混凝土的世界[1].納米二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N活性材料加入混凝土中，不僅使混凝土性能得到提高，還發(fā)揮混凝土的特殊功能，納米二氧化鈦混凝土的應(yīng)用已經(jīng)得到了環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的密切關(guān)注，成為當(dāng)今建筑材料科學(xué)領(lǐng)域一大熱點(diǎn).

國內(nèi)外學(xué)者研究探討其對混凝土性能的影響，并取得了一定的成果.Senff[2-3][4]等人通過探討納米TiO2同硅酸鹽水泥的砂漿黏度與屈服應(yīng)力之間的關(guān)系，得出明顯使拌合物流動(dòng)性降低的現(xiàn)象，在摻入量為7%時(shí)，還可以幫助整個(gè)混凝土的凝膠體系結(jié)構(gòu)形成，進(jìn)而影響新拌混凝土的屈服應(yīng)力.Jo等人[5]通過研究得出納米TiO2可以對混凝土的微觀結(jié)構(gòu)有所改變，進(jìn)而達(dá)到改善砂漿強(qiáng)度的目的.Nazari[6][7]研究得到納米TiO2會(huì)對自密實(shí)混凝土(Self-compacting concrete，簡稱SCC)的各項(xiàng)性能指標(biāo)造成影響，摻加水泥質(zhì)量4%的納米TiO2可以改善混凝土力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度，主要原因它是以超細(xì)粉形式存在，可以堵塞混凝土內(nèi)部的一些連通孔隙.國內(nèi)也有很多專家對此進(jìn)行了研究.錢春香等人將道路的面層材料作為研究對象，探究負(fù)載型納米TiO2的光催化降解作用[8-10].大量的研究結(jié)果表明，將納米TiO2摻入到混凝土中，可以改善混凝土的一些性能.本研究通過試驗(yàn)方法，主要研究不同摻量納米TiO2顆粒對自密實(shí)混凝土性能影響變化規(guī)律.

1 原材料及混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

1)水泥：選用蘭州京蘭水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5，表觀密度(The apparent density)3.10 g/cm3，比表面積(Specific surface area)350 m2/kg，細(xì)度(fineness)394 m2/kg，具體化學(xué)成分及物理性能指標(biāo)如表1～2.

表1 P.O 42.5 氧化物組成(%)

表2 P.O 42.5技術(shù)指標(biāo)值

2)粉煤灰：選用河南省鄭州市遠(yuǎn)恒環(huán)保工程有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰.灰色粉狀，細(xì)度：43μm，2.4 g/cm3左右，含水量：0.5%左右，化學(xué)組成見表3.

表3 粉煤灰化學(xué)組成(%)

3)集料：細(xì)集料采用粗細(xì)中等的II 區(qū)河砂，表觀密度(The apparent density)2715 kg/m3，堆積密度(Packing density)為1580 kg/m3， 細(xì)度模數(shù)(Fineness modulus)3.04.粗集料：采用榆中縣某地產(chǎn)卵石，粒徑 5～16 mm，均勻級(jí)配.表觀密度(The apparent density)2735 kg/m3，堆積密度(Packing density)1563 kg/m3， 針片狀顆粒含量5%，壓碎值 2.75%.

4)拌和用水：普通自來水.

5)減水劑：采用聚羧酸綠色高性能高效減水劑，減水率37%.

6)納米TiO2：選自河南萬海化工產(chǎn)品有限公司.體積密度3.72 g/cm3，其他技術(shù)指標(biāo)見表4.

表4 納米TiO2技術(shù)指標(biāo)[11]

1.2 配合比設(shè)計(jì)

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度 C35，納米TiO2分別以所配置混凝土需要依據(jù)膠凝材料質(zhì)量的0、3%、6%、9%、12%和15%計(jì)算[12]，參照文獻(xiàn)[9]計(jì)算得出，結(jié)果見表5.

2 混凝土性能研究

1)和易性，對于SCC大流動(dòng)性混凝土，采用坍落度筒和帶有刻度的鋼板結(jié)合測試其坍落擴(kuò)展度值表示流動(dòng)性的大小，結(jié)果見圖1.

表5 混凝土配合比設(shè)計(jì)表[13]

由圖1可知，隨著納米TiO2摻量的增加，坍落擴(kuò)展度呈現(xiàn)大致降低的趨勢.通過線性回歸方程分析，相關(guān)系數(shù)R2大于0.99時(shí)為二次拋物線方程，最高階函數(shù)的系數(shù)為-0.0661，表示納米TiO2摻量與坍落擴(kuò)展度擬合程度良好，存在最大值.根據(jù)線性回歸方程計(jì)算得出，基準(zhǔn)組時(shí)的坍落擴(kuò)展度值是628.97 mm，摻量3%～21%時(shí)坍落擴(kuò)展度值都超過600.00 mm，但是超過21%以后下降很明顯.這表明納米TiO2顆粒細(xì)小，比表面較大，導(dǎo)致SCC坍落擴(kuò)展度降低.

2)立方體抗壓強(qiáng)度，將新拌混凝土成型100*100*100 mm3試件，分別養(yǎng)護(hù)14d、28d，采用萬能試驗(yàn)機(jī)給試件的約束面進(jìn)行垂直施壓，記錄試件達(dá)到破壞時(shí)峰值荷載，并利用公式F/A(F表示最大壓力值，A表示受壓面面積)，結(jié)果見圖2.

圖1 坍落擴(kuò)展度隨納米TiO2摻量變化曲線圖 圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度隨TiO2摻量變化曲線圖

由圖2數(shù)據(jù)變化曲線可知：14d和28d齡期的SCC立方體抗壓強(qiáng)度隨著納米TiO2摻量的增多呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象.根據(jù)摻量的變化，對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，由于混凝土強(qiáng)度影響因素比較多，只要強(qiáng)度保證率(簡稱P)不低于95%的混凝土在工程上使用都是安全的.14d的抗壓強(qiáng)度值與納米TiO2摻量通過線性回歸，相關(guān)系數(shù)R2=0.9885，表明納米TiO2與混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)二次拋物線形式，擬合度良好.在納米TiO2摻量為9%時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度30.73MPa.齡期為28d時(shí)，二者呈現(xiàn)二次拋物線形式的相關(guān)系數(shù)R2=0.9601>0.95，滿足工程質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn).在摻量為7.5%～14.7%時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度不低于36MPa，摻量為12%時(shí)達(dá)峰值36.89MPa，表明納米TiO2無論是在混凝土早期還是后期，都發(fā)揮著膠凝作用，生成固相物質(zhì)，使固相物質(zhì)增多，再者還可以起到微骨料作用，堵塞混凝土中連通的一些孔隙或者微小裂縫使混凝土密實(shí)[14]，提高混凝土強(qiáng)度；納米TiO2摻量過多時(shí)，比表面積大，所需拌合用水量增大，導(dǎo)致膠凝材料的水化過程得不到充分發(fā)揮，生成物會(huì)減少，影響強(qiáng)度.

3 結(jié)論

1)坍落擴(kuò)展度結(jié)果表明，隨著納米TiO2顆粒摻入量增加，新拌SCC流動(dòng)性大致呈降低趨勢，根據(jù)線性回歸方程計(jì)算得出，基準(zhǔn)組時(shí)的坍落擴(kuò)展度值是628.97 mm，摻量3%～21%時(shí)坍落擴(kuò)展度值都超過600.00 mm，但是超過21%以后下降很明顯.這表明納米TiO2顆粒細(xì)小，比表面較大，導(dǎo)致SCC坍落擴(kuò)展度降低.

2)14 d的抗壓強(qiáng)度值與納米TiO2摻量通過線性回歸，相關(guān)系數(shù)R2=0.9885，表明納米TiO2與混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)二次拋物線形式，擬合度良好，在納米TiO2摻量為9 %時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度達(dá)峰值30.73 MPa.齡期為28 d時(shí)，在摻量為7.5 %～14.7 %時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度不低于36 MPa，摻量為12 %時(shí)達(dá)峰值36.89 MPa.綜合SCC的性能指標(biāo)變化，本研究建議納米TiO2顆粒的合理摻入量在7.5 %～14.7 %時(shí)性能良好.