胡明華 許魁

（1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司 安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心 安徽 合肥 230088）

水泥基材料中加入納米二氧化硅，能夠降低混凝土的坍落度與擴(kuò)展度，能夠提高混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，對(duì)后期強(qiáng)度影響不明顯，能夠增大混凝土的自收縮應(yīng)變，提高混凝土的抗氯—滲透性和抗凍耐久性［1］。為了實(shí)現(xiàn)混凝土的綠色發(fā)展，有效利用粉煤灰等廢棄原材料，現(xiàn)多將粉煤灰摻入水泥基材料中，但由于粉煤灰的加入取代了大量水泥，導(dǎo)致粉煤灰的活性激發(fā)不完全，從而使得混凝土早期性能偏低，且粉煤灰的大量摻入時(shí)，降低水泥基材料的耐久性能。因此，當(dāng)納米二氧化硅與大摻量粉煤灰耦合作用下，水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性能是否會(huì)提高需進(jìn)一步研究。

李婕等人基于試驗(yàn)結(jié)果，利用MATLAB 數(shù)值計(jì)算軟件，提出了不同粒徑及摻量下納米二氧化硅混凝土力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型，同時(shí)，借助SEM電鏡試驗(yàn)，對(duì)納米二氧化硅增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能機(jī)理進(jìn)行分析［2］。鄭俊穎通過(guò)改變二氧化硅的摻量，研究了混凝土圓柱體的軸心抗壓試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)，結(jié)果表明，摻入二氧化硅后，混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均有所提高［3］。李振發(fā)研究了不同摻量水平下納米二氧化硅對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、F-CMOD曲線及斷裂能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，納米二氧化硅的摻入對(duì)混凝土的性能均有一定程度的提高［4］。林培桐等人利用沉淀法制備的納米二氧化硅（PNS）極強(qiáng)的火山灰活性能改善大摻量礦粉—水泥膠凝體系早期抗壓強(qiáng)度低、內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松等缺陷，研究了PNS 對(duì)大摻量礦粉—水泥膠凝體系抗壓強(qiáng)度、抗氯離子滲透性的影響，通過(guò)XRD、TGDSC 及MIP，對(duì)該體系的水化產(chǎn)物與孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行微觀分析［5］。陳燕通過(guò)正交試驗(yàn)分析了FA摻量、PCE摻量和NS/NC/GO 摻量各影響因素對(duì)納米復(fù)合凈漿及砂漿的流變參數(shù)、流動(dòng)度、抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度影響效應(yīng)的大小，并得出納米復(fù)合凈漿與砂漿流變性能影響之間的聯(lián)系，深入探究不同納米材料復(fù)合自密實(shí)水泥基材料流變規(guī)律，明晰流變性能與宏觀性能的關(guān)系［6］。方小婉等人通過(guò)雙摻粉煤灰及礦渣，研究了混凝土的強(qiáng)度及抗?jié)B性能，實(shí)驗(yàn)中改變粉煤灰的摻量和礦渣摻量，得出了不同摻量下混凝土的抗壓及抗?jié)B規(guī)律，并給出了最優(yōu)配合比［7］。

粉煤灰和納米二氧化硅耦合作用下對(duì)混凝土的力學(xué)性能及抗?jié)B性能較普通混凝土更為復(fù)雜，同時(shí)，雙摻情況下對(duì)混凝土的力學(xué)性能及抗?jié)B性能影響任缺少研究。本文旨在通過(guò)添加不同摻量粉煤灰來(lái)研究二氧化硅混凝土抗壓及抗?jié)B性能，為確定不同粉煤灰摻量下納米二氧化硅混凝土的配合比打下基礎(chǔ)，為新型綠色混凝土的應(yīng)用探索提供新思路。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用的水泥為PII52.5型硅酸鹽水泥，粉煤灰是電廠生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰，二氧化硅采用的是市面采購(gòu)的二氧化硅。試驗(yàn)采用的粉煤灰和二氧化硅的化學(xué)組成見(jiàn)表1、表2。

表1 粉煤灰化學(xué)組成（單位：%）

表2 二氧化硅參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

旨在研究不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土早期力學(xué)性能和抗?jié)B性能，故試驗(yàn)確定了變量因素為不同粉煤灰摻入量，結(jié)合已有的研究成果，粉煤灰摻量分別定級(jí)為0%、10%、20%及30%，二氧化硅的摻量為1.5%，養(yǎng)護(hù)溫度為室溫。試驗(yàn)配合比如表3 所示。按配合比制備150mm×150mm×150mm 的立方體試件，測(cè)試不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度。按配合比制備175mm×185mm×150mm 的圓柱體，測(cè)試不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土的抗?jié)B性能。

表3 試驗(yàn)配合比（單位：（kg/m3）

1.3 試驗(yàn)開(kāi)展

1.3.1 試驗(yàn)制作

將需要的石子洗干凈并曬干或用烘箱烘干，砂子曬干并用篩子篩出試驗(yàn)所需要粒徑，并且要保證石子和砂的干燥，根據(jù)0.55 的水灰比，稱出所需的石子、砂子、二氧化硅、粉煤灰、石灰和水，進(jìn)行攪拌。由于二氧化硅在攪拌過(guò)程中易產(chǎn)生凝結(jié)，攪拌時(shí)間要相比于普通混凝土攪拌時(shí)間延長(zhǎng)一倍，在混凝土攪拌結(jié)束前，把相應(yīng)的混凝土模具（150mm×150mm×150mm、175mm×185mm×150mm）準(zhǔn)備好，且在其內(nèi)壁抹上一定的脫模劑，待混凝土攪拌完成后，將混凝土拌合物裝入模具中，然后放在振動(dòng)臺(tái)上振搗密實(shí)，在其表面冒出浮漿并且氣泡不再冒出時(shí)停止振搗。振搗結(jié)束后，用不透水的塑料袋將模具和混凝土密封在室溫下養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)1～2d拆模具。立方體混凝土試塊每組分別養(yǎng)護(hù)3d、7d、14d、28d 后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，圓臺(tái)養(yǎng)護(hù)28d 后進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)。混凝土試件制作如圖1所示。

圖1 混凝土試件制作

1.3.2 混凝土抗壓

將制作好的立方體混凝土試塊養(yǎng)護(hù)3d、7d、14d、28d 后取出，放入壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)連續(xù)均勻地加荷，混凝土強(qiáng)度等級(jí)＜C30時(shí)，加荷速度取每秒鐘0.3～0.5MPa；C30≤混凝土強(qiáng)度等級(jí)＜C60時(shí)，取每秒鐘0.5～0.8MPa；混凝土強(qiáng)度等級(jí)≥C60時(shí)，取每秒鐘0.8～1.0MPa。當(dāng)試件接近破壞開(kāi)始急劇變形時(shí)，應(yīng)停止調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門，直至破壞，然后記錄破壞荷載。混凝土試件抗壓試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 混凝土試件抗壓試驗(yàn)

1.3.3 混凝土抗?jié)B試驗(yàn)

圓臺(tái)混凝土試塊養(yǎng)護(hù)到28d 的齡期，用鋼絲刷刷去圓臺(tái)混凝土試塊上下兩端的水泥漿面，圓臺(tái)混凝土試塊晾曬干后，用水泥和黃油密封，水泥和黃油取質(zhì)量比為3∶1攪拌均勻，之后用毛刷將其均勻地涂抹在圓臺(tái)混凝土試塊的側(cè)面，并且要讓水泥與黃油的混合物完整地覆蓋在上面，厚度為1～2mm，用壓力機(jī)將試塊壓入試模中，讓試塊與試模底部齊平。將試件放入抗?jié)B儀中，進(jìn)行試驗(yàn)?；炷猎嚰?jié)B試驗(yàn)如圖3所示。

圖3 混凝土試件抗?jié)B試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰對(duì)納米二氧化硅混凝土抗壓性能影響

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用的是150mm×150mm×150mm的立方體試件，分別測(cè)試試塊3d、7d、14d及28d的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土抗壓強(qiáng)度

不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土抗壓強(qiáng)度

從圖4（a）可以看出，在養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，二氧化硅混凝土抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻入量的增加而減小，且當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28d時(shí)，粉煤灰摻入量為0%、10%及20%時(shí)的抗壓強(qiáng)度基本相等，但粉煤灰摻入量為30%時(shí)有較大程度上的降低，相比于摻入量為20%時(shí)降低了接近22%。分析原因，是由于粉煤灰的摻入替換了部分水泥，使水化作用下生成C-S-H凝膠量減小，降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)粉煤灰摻入量達(dá)到30%時(shí)，混凝土微結(jié)構(gòu)已發(fā)生了較大的變化，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度有加大幅度的降低。

圖4（b）為不同粉煤灰摻入量下二氧化硅混凝土抗壓強(qiáng)度的變化幅度，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3d 時(shí)，粉煤灰摻入量為10%時(shí)的混凝土抗壓強(qiáng)度未產(chǎn)生降低，其主要原因是當(dāng)粉煤灰摻入量較少時(shí)，雖然替代了部分水泥，但由于粉煤灰形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)及微集料效應(yīng)的存在，其摻入提高了混凝土的勻質(zhì)性和致密性，保證了混凝土抗壓強(qiáng)度不低于普通混凝土強(qiáng)度。從混凝土成型時(shí)間角度分析，二氧化硅混凝土在初凝14d 前抗壓強(qiáng)度提高速率較快，14d后變化速率緩慢，粉煤灰摻入量越高的二氧化硅混凝土強(qiáng)度成型時(shí)間越長(zhǎng)。7d和14d的混凝土抗壓強(qiáng)度差值較大，當(dāng)達(dá)到28d后，差值又減小，其主要原因是粉煤灰是一種惰性材料，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加才發(fā)生反應(yīng)。

2.2 粉煤灰對(duì)納米二氧化硅混凝土抗?jié)B性能影響

抗?jié)B試驗(yàn)采用的是175mm×185mm×150mm 的圓柱體試件，分別測(cè)試不同粉煤灰摻量下試件28d 后的抗?jié)B性能，主要測(cè)量試件試驗(yàn)后內(nèi)部水分的滲水高度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同粉煤灰含量混凝土抗?jié)B水高度表

不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土抗?jié)B試驗(yàn)

由圖5中可知，隨著粉煤灰摻入量的增大，滲水高度不斷減小，表明混凝土抗?jié)B性能不斷提高，主要原因是粉煤灰粒徑較小，具有一定的物理填充作用，隨著粉煤灰摻入混凝土中，填充混凝土中的空隙結(jié)構(gòu)，阻礙了水分在空隙結(jié)構(gòu)中的傳輸，提高了混凝土的抗?jié)B性能。當(dāng)粉煤灰摻入量低于20%時(shí)，混凝土抗?jié)B性能提高幅度較?。划?dāng)粉煤灰摻入量超過(guò)20%后，抗?jié)B性能提高幅度較大，主要原因是粉煤灰摻入量超過(guò)20%后，混凝土中的孔結(jié)構(gòu)已經(jīng)被大面積填充，抗?jié)B性能提高較大。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）納米二氧化硅混凝土抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻入量的增加而減小。當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)30%時(shí)，混凝土強(qiáng)度下降最為明顯。摻入一定量粉煤灰的混凝土前期強(qiáng)度較普通混凝土降低較多，但隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，其差值逐漸減小。

（2）納米二氧化硅混凝土抗?jié)B性能隨著粉煤灰摻入量的增加而增大。當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)20%后，抗?jié)B性能提高幅度較大。