納米材料對超高性能混凝土強度的影響

李起典 江森利 顏成華 楊娛樂

（連云港市天豪基礎工程有限公司， 江蘇 連云港 222000）

0 前言

分析和研究了超高性能混凝土材料動態力學特性受納米材料含量和種類的影響。超高性能混凝土不但具有高韌性和超高的強度，而且耐久性能也比較高，無論在石油和土木以及核電，還是海洋和市政等相關的設施中，應用前景都非常廣闊，許多學者也在對期進行分析和研究[1]。二十世紀 70年代初，在巖石和混凝土材料等動態力性能上，已經開始應用試驗分離子Hopkinson壓桿的裝置。從當前來看，國內外已經廣泛應用分離子Hopkinson壓桿。

1 超高性能混凝土實驗

1.1 原材料和性能

普通硅酸鹽水泥P·O52.5級；10～20目石英砂，0.9～2毫米的粒徑范圍；灰白色硅灰粉末，88納米的平均粒徑，比表面積為每克18.5×104平方厘米；325目密度為每平方厘米2.626克；白色的納米CaCO3粉末,60納米的平均料徑；I級灰色粉末的粉煤灰，白色納米SiO2絮狀物，平均10納米粒徑；FOX-8HP型聚羧減水劑為高效減水劑，粉末為粉紅色，摻量適宜1.5%，減水率＞30%。

1.2 實驗制備和養護以及實驗方法

1 試樣基準的配合比

水泥1.0、石英粉0.2、研英砂1.1、粉煤灰0.1、硅灰0.2、水膠比0.16

和減水劑1.5%。

2 攪拌成型

將稱量好的硅灰和石英砂接照配合比混合以后，倒進攪拌水泥膠砂的鍋內，

攪拌5分鐘，再將粉煤灰和水泥以及納米和石英粉材料加入，攪拌5分鐘；將溶有一半用水量的減水劑加入其中，進行 3分鐘攪拌；再將另一半的用水量倒進進行攪拌6分鐘；澆模成型，在40×40×160毫米的三聯聯模中，澆注拌合物，將其在振動臺上振動成型，振動的頻率通常為50赫茲[2]。

3 養護

成型以后，把試件移到（20±2）℃養護室進行24小時的養護再拆模，

各個試件都要分別進行，（20±2）℃～齡期為標準養護；標準養護48小時養護在90℃熱水中，取出～規定齡期為熱水養護。

4 實驗

有效運用跳桌法，根據《水泥膠砂流動度測定方法》GB2419-81來對拌合物的流動度進行測定；根據《水泥膠砂強度度檢驗方法》GB177-85來將試件抗折和抗壓的強度進行測定[3]。

1.3 結果和分析

（一）納米CaCO3影響UHPC的強度

實驗A組將不同摻量NC影響的UHPC的強度進行了分析和研究，實驗結果以及配合比，見表1所求。

表1 納米CaCO3影響UHPC的強度

從表中可以看出，將納米CaCO3摻入以后，下降了UHPC的流動性，但是，也提升了抗折和抗壓的強度，與摻量4%效果進行比較，摻量3%更好一點，與28天標準養護強度相比較，7天標準養護強度增長的幅度要比較大一些，試件熱水養護以后，抗折和抗壓的強度，幅度都比試件標準養護高摻入NC量為3%、水膠0.16，熱水養護48小時以后，標準養護～28小時抗壓強度達到163.8MPa，抗折達到32.2，具有很顯著的效果，原因就是水泥結構中加入NC，使C3S水化得到促進，將結構形式改變了，水泥石體系中，料粒子的粘合提升了，混凝土微觀的結構改善了，從而使UHPC的強度得以有效地提升。

（二）納米SiO2影響UHPC的強度

納米 SiO2屬于非晶體物質，在水泥材料中，與其他的礦物粉復合進行應用，可以將網絡交織狀骨架的結構形成，由致密的產物在骨架結構中間將二級界顯微結構填充，致使水泥水化得以促進，從而使早期水泥砂漿強度得以提升。納米SiO2既能夠提升均勻性和致密性，又能夠提升早期水泥漿體的強度，所以，將納米SiO2摻入以后，不但能夠將均勻性和致密性改善，而且，還能夠將 UHPC微觀結構改善，致使具有更好地填充顆粒效果和更密實的微觀結構，從而使混凝土強度得以提升的目的得以實現。摻入不同量的NS，影響UHPC的強度也不同[4]。

（三）分析摻入納米材料UHPC的微觀形貌

運用掃描電子顯微鏡來顯微結構觀察超高性能混凝土，運用掃描電鏡JSM-6700LV和掃描電鏡FEIQuanta200FEG，以高真空模式對48小時熱水養護以后～7天納米材料摻入的UHPC樣品微觀的形貌。

將納米CaCO3摻入熱水養護以后，水泥石中C-S-H凝膠是主要的生成水化產物大量很小顆料狀的NC呈現在表面上，這些NC顆粒通常在斷裂面有一半露出，水泥漿體中嵌固了另一半，NC的表面效應與微集料比較明顯，但是，漿體致密不怎么均勻，大孔隙很難看到，并且能夠將片狀的水化產物Ca(OH)2生成，但是比較少，也就是說加入NC，促進了水泥的水化，水泥水化反應的速度加快了，此外，熱水養護的條件下，因為漿體水膠過低，所需要的大量的結晶水鈣礬石沒有形成。

從實驗可以看出，納米材料摻入以后，UHPC抗折強度＞20MPa，同時也加大了折壓比，混凝土既明顯提升了抗折強度，又有效地改善了界面，也提升了斷裂韌性，從而增韌了納米材料的效果[5]。

（四）養護制度影響UHPC

拌合和振搗混凝土密實成型以后，需要養護試件，為了能夠順利地水化膠凝材料，致使早期和后期都能夠有較高的強度產生，必須要將合理養護的制度選擇。通過研究了解到，針對于 UHPC養護條件具有很大的影響，UHPC組分中無論是粉煤灰和硅灰，還是納米 SiO2等相關的火山灰集料，尤其石英粉活性的發揮，都需要在一定溫度的作用條件下，石英粉在常溫下很難充分發揮，只是填充的作用，因此，標準養護條件下，UHPC強度要比其熱水養護條件下強度要低[6]。

2 總結

綜上所述，在水泥基復合材料中，均勻地將納米顆粒分散是很難做到的，摻入基體中以后，容易結團，致使提升UHPC強度在一定的程度上受到了限制，所以，將分散納米粒子怎樣進行改善，均勻地分散UHPC，能夠很大程度地將混凝土強度有效地提升，必須要進一步地分析和研究。