李孝雄，胡明華，袁楓斌

(1. 滁州學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000；2. 安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，合肥 230001；3. 中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京 100195)

利用粉煤灰取代混凝土中部分水泥不僅實(shí)現(xiàn)了粉煤灰資源的利用，節(jié)約了能源與資源消耗，且減輕了粉煤灰對(duì)環(huán)境的影響.目前，粉煤灰混凝土已應(yīng)用在道路、橋梁下部結(jié)構(gòu)等工程中，它將向著綠色高性能方向發(fā)展[1].現(xiàn)有研究結(jié)果表明[2-6]，混凝土中大部分水泥被粉煤灰取代，水泥的活性未被完全激發(fā)，導(dǎo)致混凝土早期性能較低，但因粉煤灰粒徑較小，能有效地填充混凝土孔隙，增加了混凝土的密實(shí)度，提高了抗?jié)B性能及耐久性.大摻量粉煤灰混凝土早期性能不足導(dǎo)致其在混凝土的推廣應(yīng)用中受到了阻礙.因此，需尋找一種新型材料提高混凝土的早期性能.

納米SiO2摻入混凝土中，其3大效應(yīng)(晶核作用、微集料填充效應(yīng)及火山灰活性[7])可提高混凝土早期性能，但納米SiO2存在最優(yōu)摻量.過(guò)多的納米SiO2將會(huì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度[8-10].文獻(xiàn)[11-12]通過(guò)在混凝土中摻入納米SiO2的凍融試驗(yàn)，深入研究了提高其抗凍性能的機(jī)理，試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土僅表面被剝離，可有效提高混凝土抗凍性能.納米SiO2摻入混凝土中能有效降低混凝土中的孔隙率，且由于其3大效應(yīng)，加速了水泥水化，優(yōu)化了孔結(jié)構(gòu)及界面過(guò)渡區(qū)，從而提高混凝土抗?jié)B性能[13].

本文通過(guò)試驗(yàn)研究納米SiO2對(duì)混凝土性能的影響，確定其最優(yōu)摻量；同時(shí)，通過(guò)改變粉煤灰的摻量，研究復(fù)摻粉煤灰與納米SiO2對(duì)混凝土性能的影響.

1 單摻納米SiO2對(duì)水泥基材料性能的影響

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用的納米SiO2是由上海緣江化工有限公司生產(chǎn)；水泥采用江南小野田水泥廠(chǎng)生產(chǎn)的PII52.5型硅酸鹽水泥；砂子是天然河砂(中砂)；石子由石灰?guī)r破碎而成，粒徑為5～25 mm.納米SiO2及水泥材料基本參數(shù)見(jiàn)表1和表2.試驗(yàn)步驟及試樣制備均按照規(guī)范《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》[14](GB/T50082-2009)與《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15](GB/T50081-2016)中的規(guī)定執(zhí)行.

表1 納米SiO2相關(guān)參數(shù)

表2 水泥的主要化學(xué)組成

試驗(yàn)配合比見(jiàn)表3，以此測(cè)試納米SiO2混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度、抗凍性能及抗?jié)B性能.

表3試驗(yàn)配合比

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.2.1 抗壓強(qiáng)度

由圖1可知，混凝土的早期(14 d)抗壓強(qiáng)度隨著納米SiO2摻入量的增大而增加，摻入3%和1.5%的納米SiO2混凝土在14 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度較未摻入的混凝土分別提高了3.5%和4.1%，但28 d后隨著SiO2增加混凝土抗壓強(qiáng)度減小.這主要是由于納米SiO2具有高早期性火山灰活性，參與了早期的水化反應(yīng)，能與水泥中的Ca(OH)2形成C-S-H凝膠體，且納米SiO2填充混凝土中的微結(jié)構(gòu)，增加了混凝土早期的抗壓強(qiáng)度，也正因前期水化反應(yīng)過(guò)快，釋放了大量熱量使其內(nèi)部產(chǎn)生微小裂縫，導(dǎo)致后期的混凝土抗壓強(qiáng)度有所降低.

1.2.2 抗?jié)B性能

A組每個(gè)試塊測(cè)得的10個(gè)滲水高度值的平均值見(jiàn)圖2.

圖2 摻入納米SiO2混凝土滲水高度

由圖2(b)可知，納米SiO2摻入量的增加有效提高了混凝土抗?jié)B性能，摻入1.5%納米SiO2混凝土的抗?jié)B高度比未摻入的減小了16.4%；摻入3%的納米SiO2混凝土的抗?jié)B高度比未摻入的減小了26.2%.水分主要在水泥和骨料間的連通孔隙和界面過(guò)渡區(qū)孔隙中擴(kuò)散，當(dāng)納米SiO2摻入混凝土中時(shí)，由于納米SiO2其顆粒半徑達(dá)到納米級(jí)別，填充了混凝土中的孔隙，阻斷了3種水?dāng)U散方式，提高了混凝土的抗?jié)B性.且由圖2(a)可知，未摻入納米SiO2的混凝土試塊滲水高度離散性較大，而加入納米SiO2后混凝土的滲水高度差異性較小.這是由于未加入納米SiO2的混凝土材料孔隙較大，且孔隙大小及連通性具有一定隨機(jī)性，從而導(dǎo)致混凝土滲水高度離散性較大，而加入納米SiO2后孔隙被填充，其滲水高度差異性較小.

1.2.3 抗凍融性能

由圖3(a)可知，隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土試塊質(zhì)量不斷減小，未摻入納米SiO2混凝土試塊凍融次數(shù)達(dá)到20次之后，其質(zhì)量開(kāi)始明顯減??；摻入納米SiO2量為1.5%和3%的混凝土試塊凍融次數(shù)超過(guò)40次后，其質(zhì)量開(kāi)始明顯減小.根據(jù)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)試塊質(zhì)量損失率超過(guò)5%時(shí)，應(yīng)停止試驗(yàn)，即得凍融極限值.由圖3(b)可知，未摻入納米SiO2的極限凍融次數(shù)為56次；納米SiO2摻入量為1.5%和3%的試塊極限凍融次數(shù)較未摻入的分別提高了39.5%和69.6%，這主要是納米SiO2的填充作用提高了混凝土的抗凍性能.

圖3 摻入納米SiO2混凝土凍融后的質(zhì)量損失及次數(shù)

基于上述研究，混凝土摻入納米SiO2可在一定程度上提高混凝土的抗凍性能及抗?jié)B性能；可提高混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，但到28 d時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度較未摻入納米SiO2試塊有所降低；單從提高抗壓強(qiáng)度角度出發(fā)，可利用粉煤灰替代部分水泥，并選擇納米SiO2的摻量為1.5%.

2 復(fù)摻粉煤灰與納米SiO2對(duì)水泥基材料性能的影響

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 原材料

試驗(yàn)所用原材料與前文一致，粉煤灰采用的某電廠(chǎng)生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰，其基本參數(shù)見(jiàn)表4.

表4 粉煤灰的主要化學(xué)組成

2.1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)配合比如表5所示，以此測(cè)試納米SiO2與粉煤灰耦合作用下混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度、抗凍性能及抗?jié)B性能，試驗(yàn)步驟及試樣制備均按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》[14](GB/T50082-2009)與《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15](GB/T50081-2016)中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行.

表5 試驗(yàn)配合比

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

由圖4可知，粉煤灰的摻入降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度，粉煤灰摻入量為10%，20%和30%時(shí)的混凝土抗壓強(qiáng)度(28 d)較未摻入的混凝土分別降低了3.78%，5.95%和19.19%，這是由于粉煤灰替代了部分水泥，形成的C-S-H凝膠體減小，混凝土試塊抗壓強(qiáng)度降低.其中，未摻入粉煤灰的混凝土試塊在3 d時(shí)抗壓強(qiáng)度低于摻入10%粉煤灰混凝土，其主要原因是水化早期，粉煤灰未參與水化作用，僅起到了填充作用，這說(shuō)明粉煤灰摻量適當(dāng)時(shí)可在一定范圍內(nèi)提高混凝土抗壓強(qiáng)度.不同組別試塊前期抗壓強(qiáng)度差距較大，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的推移，混凝土的抗壓強(qiáng)度差值逐漸減小，其主要原因是水化早期，粉煤灰對(duì)水泥顆粒具有解絮作用，水化反應(yīng)速度慢、時(shí)間長(zhǎng)，隨著時(shí)間的加長(zhǎng)，大量水泥產(chǎn)生水化，激發(fā)了粉煤灰產(chǎn)生二次水化反應(yīng)，增加了混凝土的抗壓強(qiáng)度，從而導(dǎo)致?lián)饺敕勖夯一炷猎缙诳箟簭?qiáng)度低、后期高的現(xiàn)象.

圖4 摻入粉煤灰的混凝土抗壓強(qiáng)度

2.2.2 抗?jié)B性能

由圖5可知，混凝土抗?jié)B性能隨著粉煤灰摻入量的增加而提高，摻入粉煤灰量為10%，20%和30%的混凝土滲水高度較未摻入的混凝土分別降低了1.96%，3.92%和28.43%.其主要原因是粉煤灰中存在的極細(xì)微珠相當(dāng)于納米材料，提高了混凝土的均質(zhì)性和密實(shí)性；粉煤灰中含有的活性SiO2及AlO3，與Ca(OH)2反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，填充了混凝土的毛細(xì)組織，有效地提高了混凝土的抗?jié)B性能.當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到30%時(shí)，混凝土抗?jié)B性能有了極大地提高(規(guī)范中對(duì)粉煤灰摻量達(dá)到30%稱(chēng)為大摻量粉煤灰混凝土).

圖5 摻入粉煤灰的混凝土滲水高度

2.2.3 抗凍融性能

由圖6可知，混凝土試塊的質(zhì)量隨著凍融次數(shù)增加呈先增加后減小趨勢(shì).未摻入粉煤灰混凝土試塊凍融次數(shù)達(dá)到40次后，其質(zhì)量開(kāi)始減小；粉煤灰摻入量為10%，20%和30%時(shí)，出現(xiàn)質(zhì)量開(kāi)始減小的凍融次數(shù)分別為60，75和90次，達(dá)到凍融破壞標(biāo)準(zhǔn)的極限凍融次數(shù)分別提高了14.1%，37.2%和47.4%.前期凍融后質(zhì)量的增加主要是由于混凝土浸泡水之后吸附了一定質(zhì)量的水，導(dǎo)致混凝土試塊質(zhì)量的增加.粉煤灰的摻入提高了混凝土的抗凍性能，其主要原因是由于粉煤灰填充了混凝土的孔隙，且納米SiO2和粉煤灰在耦合作用下促進(jìn)了水泥的二次水化，增加了混凝土中的膠凝物質(zhì)，從而防止了孔隙水凍結(jié)膨脹導(dǎo)致混凝土破壞.

圖6 摻入粉煤灰的混凝土凍融后的質(zhì)量損失及次數(shù)

3 結(jié)論

1)摻入納米SiO2可提高混凝土的抗?jié)B性能及抗凍性能，且未摻納米SiO2混凝土試塊的滲水高度離散性較大；摻入納米SiO2混凝土前期抗壓強(qiáng)度高于未摻入納米SiO2混凝土，后期抗壓強(qiáng)度低于未摻入納米SiO2混凝土.

2)已摻入納米SiO2混凝土的抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻入量的增大而減小，但摻入10%粉煤灰混凝土在3 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度高于未摻粉煤灰混凝土試塊；其抗?jié)B性能及抗凍性能隨著粉煤灰摻入量的增加而增強(qiáng)，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到30%時(shí)，其抗?jié)B性能有較大幅度提高.