戚 丹，馬 琳，趙 珍

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

0 引言

隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，混凝土建筑材料的需求量也逐年增大，其中水泥作為混凝土制備過程中必不可少的一種材料，其產(chǎn)量和消耗量也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)[1-2]。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2020年我國的水泥產(chǎn)量已達(dá)到20 億噸以上，而水泥的生產(chǎn)過程不僅會(huì)消耗大量的能源，還會(huì)排放出大量的二氧化碳，調(diào)研結(jié)果表明水泥行業(yè)的能源消耗量在所有行業(yè)中位居前列，制備1 噸水泥大約需要消耗40 億J 的能源，并排放出1 噸左右的二氧化碳。而隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)施，為了滿足未來越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求和綠色可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，必須減少二氧化碳的排放量[3]。因此，尋找合適的礦物摻合料以代替部分水泥的用量，對(duì)減少能源消耗和二氧化碳的排放量具有十分重要的意義。

用粉煤灰代替部分水泥在混凝土的制備過程中已得到較為廣泛的應(yīng)用，有研究表明粉煤灰的摻入能夠有效降低混凝土結(jié)構(gòu)的孔隙率，提升密實(shí)度，進(jìn)而有效增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能[4-6]。并且粉煤灰具有圓球狀的形態(tài)，能夠有效改善混凝土的工作性能。但也有研究表明，大摻量的粉煤灰代替水泥后會(huì)影響其水化活性，造成水化產(chǎn)物量減少，進(jìn)而影響混凝土結(jié)構(gòu)的早期強(qiáng)度[7-8]。納米二氧化硅具有比表面積大、粒徑小、表面能以及火山灰活性較高的特點(diǎn)，能夠有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的早期性能，可以彌補(bǔ)粉煤灰的摻入對(duì)混凝土早期性能的不利影響，發(fā)揮良好的協(xié)同增效作用[9-13]。因此，本文以普通C40 混凝土為研究對(duì)象，以混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度、抗氯離子滲透性能和抗凍性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別考察了粉煤灰和納米二氧化硅單獨(dú)摻入以及復(fù)合摻入時(shí)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的影響，為降低混凝土中水泥的用量和改善混凝土耐久性能提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用原材料

水泥采用大連水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P. O 42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥（3 d 和28 d 的抗壓強(qiáng)度值分別為28.1 MPa 和51.9 MPa）；粉煤灰采用河北創(chuàng)天工程材料有限公司生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰；納米二氧化硅采用南京保克特新材料有限公司生產(chǎn)的親水型納米級(jí)二氧化硅粉末；骨料采用重慶品合泰建材有限公司生產(chǎn)的ISO 標(biāo)準(zhǔn)中砂；減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA-Ⅰ系列聚羧酸高性能減水劑。

1.2 配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

按照標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）中的相關(guān)要求，設(shè)計(jì)試驗(yàn)用混凝土的配合比，其中水灰比統(tǒng)一為0.5，混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表1。

1.3 混凝土耐久性能評(píng)價(jià)方法

抗壓強(qiáng)度測(cè)定方法：參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17671-2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》中的要求，制備尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的混凝土試件，并在溫度為（20±1）℃、相對(duì)濕度為95%的條件下對(duì)其進(jìn)行成型和養(yǎng)護(hù)，然后測(cè)定養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間（3 d、7 d 和28 d）后混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值。

抗氯離子滲透性能測(cè)定方法：按要求制備直徑為100 mm，高度為50 mm 的圓柱形混凝土試件，然后參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求，采用快速氯離子遷移系數(shù)法測(cè)定不同混凝土試件的抗氯離子滲透系數(shù)。

抗凍性能測(cè)定方法：按要求制備尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的混凝土試件，然后參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用快速凍融試驗(yàn)的方式評(píng)價(jià)不同混凝土試件的抗凍性能，評(píng)價(jià)指標(biāo)為質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率，凍融循環(huán)次數(shù)為50 次。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

圖1、圖2 和圖3 分別為單獨(dú)摻入納米二氧化硅、粉煤灰以及兩者復(fù)摻時(shí)對(duì)混凝土試件抗壓強(qiáng)度的影響試驗(yàn)結(jié)果，由圖1 可以看出，隨著納米二氧化硅摻量的不斷增大，養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間后的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)納米二氧化硅的摻量達(dá)到3%時(shí)，混凝土試件養(yǎng)護(hù)3 d、7 d和28 d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度值分別可以達(dá)到27.59 MPa、41.36 MPa 和49.87 MPa，與未摻納米二氧化硅時(shí)相比分別提升了31.69%、25.07%和15.49%。由此可知納米二氧化硅的摻入能夠顯著提升混凝土試件的早期抗壓強(qiáng)度，這是由于納米二氧化硅具有較強(qiáng)的火山灰活性，能夠與混凝土中的水泥產(chǎn)生水化反應(yīng)生成凝膠體物質(zhì)，填充到混凝土結(jié)構(gòu)的孔隙中，使混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性增強(qiáng)，進(jìn)而大幅提高其抗壓強(qiáng)度值。

圖1 納米二氧化硅摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 The influence of nano silica content on the compressive strength

圖2 粉煤灰摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 The influence of fly ash content on the compressive strength

圖3 加入20%粉煤灰后納米二氧化硅摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 The influence of nano silica content on the compressive strength after adding 20% fly ash

由圖2 可以看出，隨著粉煤灰摻量的不斷增大，混凝土試件養(yǎng)護(hù)3 d 和7 d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度值均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，而養(yǎng)護(hù)28 d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度值則呈現(xiàn)出“先升高后降低”的趨勢(shì)，當(dāng)粉煤灰的摻量大于20%以后，養(yǎng)護(hù)28 d 的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度也出現(xiàn)明顯下降。當(dāng)摻入40%的粉煤灰時(shí)，混凝土試件養(yǎng)護(hù)3 d、7 d 和28 d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度值分別可以達(dá)到10.35 MPa、20.48 MPa 和42.08 MPa，與未摻納米二氧化硅時(shí)相比分別降低了50.60%、38.07%和2.55%。這說明粉煤灰的摻入能夠使混凝土試件的早期抗壓強(qiáng)度值得到顯著的下降，而對(duì)后期抗壓強(qiáng)度的影響則相對(duì)較小。這是由于粉煤灰摻入后導(dǎo)致混凝土中水泥的加量有所減少，從而導(dǎo)致水化反應(yīng)時(shí)所生成的凝膠類物質(zhì)量有所減少，造成混凝土試件早期抗壓強(qiáng)度的明顯降低。為了盡量多的摻入粉煤灰，并且使混凝土試件保持較高的抗壓強(qiáng)度，選擇粉煤灰的摻量為20%，繼續(xù)考察復(fù)摻粉煤灰和納米二氧化硅對(duì)混凝土試件抗壓強(qiáng)度的影響。

由圖3 可以看出，當(dāng)摻入20%的粉煤灰以后，繼續(xù)摻入納米二氧化硅時(shí)，隨著納米二氧化硅摻量的不斷增大，養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間后的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值均呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)。當(dāng)納米二氧化硅的摻量為3%時(shí)，混凝土試件養(yǎng)護(hù)3 d、7 d 和28 d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度值分別可以達(dá)到27.94 MPa、42.75 MPa和54.26 MPa，均高于單獨(dú)摻入納米二氧化硅的混凝土試件。這是由于粉煤灰能夠與納米二氧化硅起到良好的協(xié)同增效作用，可以有效地提高膠凝材料的水化反應(yīng)活性，從而提高混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值。

2.2 抗氯離子滲透性能

圖4 、圖5 和圖6 分別為單獨(dú)摻入納米二氧化硅、粉煤灰以及兩者復(fù)摻時(shí)對(duì)混凝土試件抗氯離子滲透性能的影響試驗(yàn)結(jié)果，由圖4 可以看出，隨著納米二氧化硅摻量的不斷增大，混凝土試件的氯離子遷移系數(shù)逐漸減小，抗氯離子滲透性能逐漸增強(qiáng)。當(dāng)納米二氧化硅的摻量達(dá)到3%時(shí)，氯離子遷移系數(shù)由空白時(shí)的7.2×10-12m2/s 降低至6.1×10-12m2/s。這是由于納米二氧化硅能夠有效填充在混凝土材料的孔隙結(jié)構(gòu)中，使孔隙率下降，從而提高試件的密室性，有效改善混凝土材料的界面結(jié)構(gòu)，使其抗氯離子滲透性能得到提高。

圖4 納米二氧化硅摻量對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響Fig.4 The influence of nano silica content on the chloride ion migration coefficient

圖5 粉煤灰硅摻量對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響Fig.5 The influence of silicon content in fly ash on the chloride ion migration coefficient

圖6 加入20%粉煤灰后納米二氧化硅摻量對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響Fig.6 The influence of nano silica content on the chloride migration coefficient after adding 20% fly ash

由圖5 可以看出，隨著粉煤灰摻量的不斷增大，混凝土試件的氯離子遷移系數(shù)逐漸增大，抗氯離子滲透性能逐漸減弱。當(dāng)粉煤灰的摻量達(dá)到40%時(shí)，氯離子遷移系數(shù)可由空白時(shí)的7.2×10-12m2/s 增大至7.8×10-12m2/s。這是由于單獨(dú)摻入粉煤灰時(shí)，混凝土材料中水泥量的減少會(huì)使水化凝膠產(chǎn)物的生成量減少，降低了混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的密實(shí)性，使氯離子更易滲透進(jìn)去，減弱了混凝土試件的抗氯離子滲透性能。為了盡可能地提高混凝土試件的抗氯離子滲透能力，選擇粉煤灰的摻量為20%，繼續(xù)考察復(fù)摻粉煤灰和納米二氧化硅對(duì)混凝土試件抗氯離子滲透性能的影響。

由圖6 結(jié)果可以看出，當(dāng)摻入20%的粉煤灰以后，繼續(xù)摻入納米二氧化硅時(shí)，隨著納米二氧化硅摻量的不斷增大，混凝土試件的氯離子遷移系數(shù)逐漸減小。當(dāng)納米二氧化硅的摻量達(dá)到3%時(shí)，氯離子遷移系數(shù)可由未摻納米二氧化硅時(shí)的7.5×10-12m2/s降低至5.3×10-12m2/s，降低幅度較大，這說明粉煤灰能夠與納米二氧化硅聯(lián)合作用從而提高混凝土試件的抗氯離子滲透性能。

2.3 抗凍性能

表2 為單獨(dú)摻入納米二氧化硅、粉煤灰以及兩者復(fù)摻時(shí)對(duì)混凝土試件抗凍性能的影響試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，單獨(dú)摻入納米二氧化硅時(shí)，隨著其摻量的不斷增大，混凝土試件經(jīng)過50 次凍融循環(huán)之后的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，說明納米二氧化硅的摻入能夠有效提高混凝土試件的抗凍能力，這是由于納米二氧化硅具有較小的尺寸，能夠有效填充在混凝土結(jié)構(gòu)的微小孔隙中，增大混凝土的密實(shí)度，從而使其在凍融循環(huán)過程中不易被破壞，提高了其抗凍性能。而單獨(dú)摻入粉煤灰時(shí)，隨著其摻量的不斷增大，混凝土試件經(jīng)過50 次凍融循環(huán)之后的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率均呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，說明單獨(dú)摻入粉煤灰時(shí)可使混凝土試件的抗凍能力有所減弱，這是由于粉煤灰代替水泥摻入時(shí)會(huì)降低水化凝膠產(chǎn)物的生成量，混凝土試件內(nèi)部的微小孔隙數(shù)量得不到有效的填充，導(dǎo)致其吸水能力增強(qiáng)，從而使其在凍融循環(huán)過程中更易遭到破壞。

表2 凍融循環(huán)50 次后混凝土的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率Table 2 The mass loss rate and compressive strength loss rate of concrete after 50 freeze-thaw cycles

而當(dāng)摻入20%的粉煤灰后，再繼續(xù)摻入納米二氧化硅時(shí)，隨著其摻量的不斷增大，混凝土試件經(jīng)過50 次凍融循環(huán)之后的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率同樣均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，并且當(dāng)納米二氧化硅的摻量達(dá)到3%以后，混凝土試件的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率均低于單獨(dú)摻入納米二氧化硅的混凝土試件，這說明粉煤灰能夠與納米二氧化硅起到良好的協(xié)同增效作用，增強(qiáng)了混凝土試件的抗凍性能。結(jié)合上述抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步說明復(fù)摻粉煤灰和納米二氧化硅能夠較好地提高混凝土的耐久性能，延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3 結(jié)論

（1）在混凝土中單獨(dú)摻入納米二氧化硅時(shí)，其耐久性能明顯提升，并且隨著納米二氧化硅摻量的逐漸增大，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度逐漸升高、抗氯離子滲透性能和抗凍性能均逐漸增強(qiáng)。

（2）在混凝土中單獨(dú)摻入粉煤灰時(shí)，其耐久性能有所減弱，并且隨著粉煤灰摻量的不斷增大，混凝土試件養(yǎng)護(hù)3 d 和7 d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低、抗氯離子滲透性能和抗凍性能均逐漸減弱。

（3）在摻入20%粉煤灰的情況下，隨著混凝土中納米二氧化硅摻量的不斷增加，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值逐漸升高，氯離子遷移系數(shù)逐漸降低，凍融循環(huán)50 次后的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率均逐漸減小，當(dāng)納米二氧化硅的摻量達(dá)到3%時(shí)，各項(xiàng)性能均優(yōu)于單獨(dú)摻入納米二氧化硅的混凝土試件，復(fù)摻粉煤灰和納米二氧化硅能夠有效提高混凝土的耐久性能。