河套灌區渠道襯砌混凝土的納米顆粒改性研究

曹 金 保

(南昌理工學院， 南昌 330013)

0 引 言

目前，我國內蒙古自治區的河套灌區是我國灌溉面積最大的灌區[1]。該區的渠道結構主要采用模袋混凝土技術進行渠道襯砌建設[2]。襯砌工程采用的模袋混凝土通過高壓泵將水泥砂漿灌入模袋，依靠袋內吊筋袋、吊筋繩等的長度來控制混凝土尺寸，砂漿硬化后形成一定強度的襯砌結構以滿足渠道工程的需要，對于河套地區復雜的地理條件有很好的適應性。穩定性和耐久性是渠道襯砌混凝土的重要性能指標，渠道防滲效果主要取決于混凝土材料的穩定性及耐久性[3]。干縮裂縫的存在嚴重影響渠道襯砌的使用壽命，干縮變形一般出現在砂漿澆筑和養護后一段時間后，混凝土變形隨著水泥漿中水分蒸發逐漸發展，最終產生不可逆的內部裂縫[4,5]。

研究表明在混凝土中摻入一定比例的粉煤灰可以顯著地改善減輕和防止模袋混凝土的干縮變形[6]。但粉煤灰會加大漿料的用水量，導致漿料的水泥用量大幅增加。一方面使混凝土結構的強度降低，另一方面也增加了材料的造價[7]。納米材料是一種新興材料，具有比表面積大、界面效應和微觀效應等特質，作為一種改性添加劑，已經在優化混凝土性能方面被廣泛應用，也有許多研究者致力于利用納米材料來提升混凝土干縮性能[8-11]。因此，納米材料在改善混凝土力學性能、防止干燥收縮，加長材料使用壽命等方面具有廣闊的應用前景和顯著的經濟效益[12]。

本研究采用微量兩種納米顆粒制備了改性粉煤灰混凝土試樣，對其力學和干縮性能進行分析，并分析了其作用機理。研究結果旨在為渠道襯砌混凝土的納米改性設計提供借鑒。

1 試驗材料與過程

1.1 原材料

試驗采用礫石和連續級配河砂作為粗、細骨料，骨料的最大粒度25.6 mm，經過破碎、篩分，細骨料粒徑為0～5 mm，粗骨料粒徑級別為5～25 mm。選用P.C42.5復合硅酸鹽水泥硅酸鹽水泥(C)作為凝膠材料，其28 d抗壓強度為47.3 MPa，抗彎強度7.9 MPa。粉煤灰取自河套地區的發電廠生產的超細粉煤灰(UFA)。納米材料選用江西省宜春市華宇納米材料有限公司生產的納米二氧化硅(NS)和納米碳化硅(NC)，納米顆粒的性能指標如表1所示。

表1 納米材料的性能指標Tab.1 Properties of nano-materials

1.2 試驗方法

采用18%超細粉煤灰(UFA)等質量代替水泥，在此基礎上，再分別以1%、2%和3%的納米顆粒等量代替水泥配制納米改性粉煤灰混凝土。水工混凝土的強度和干縮性能主要取決于復合水泥砂漿的特性，首先根據對水泥砂漿強度試驗確定納米材料的最佳含量范圍，再根據強度試驗進行干縮性測試的混凝土不同配比試驗。水泥砂漿的強度試驗參照國家標準GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)》，采用40 mm×40 mm×160 mm尺寸的試件在溫度20±2 ℃、相對濕度為90%以上的恒溫箱中標準養護28 d后進行強度和干縮性能測試。

2 結果和討論

2.1 強度試驗結果

根據強度試驗結果確定納米材料的最佳含量范圍。再依據此范圍，以等量納米材料代替水泥制備納米改性混凝土(NS混凝土、NC混凝土和雙摻混凝土)。進行強度試驗的混凝土的配比如表2所示。

表2 強度試驗的組別及其物料摻量 g

單摻一種納米材料(0-6組)的水泥砂漿的抗彎和抗壓強度試驗結果如圖1所示。可以發現NS和NC兩種納米材料對水泥砂漿強度有正向影響，在一定程度上提高了砂漿的抗彎強度和抗壓強度。當NS含量在0～3%范圍內時，隨著含量增加，水泥砂漿的抗彎強度和抗壓強度先增大后減小，最佳NS含量為2%；而水泥砂漿中NC含量從1%增加到3%時，其抗彎強度和抗壓強度呈上升趨勢。可以預測當NC含量持續增加，砂漿強度曲線也可能出現拐點。因此，可以認為單摻雜NC的最佳含量為3%圖2給出了水泥砂漿試樣(7-15組)的強度試驗結果，可以發現雙摻納米材料的水泥砂漿在強度改善上優于單一材料，其中抗彎強度和抗壓強度最高的為第13組。

圖1 組數0-6測試結果Fig.1 The results of groups 0-6

圖2 組數7-15測試結果Fig.2 The results group number 7-15

2.2 改性混凝土干縮試驗結果

進行干縮性測試的混凝土的不同配比成分見表3，干縮試驗結果見圖3和圖4。從圖3可以看出，摻納米顆粒的水泥砂漿的干縮率明顯高于無納米顆粒的對照組，表明納米顆粒在不同階段會加速水泥砂漿的干縮程度。隨著固化時間的增加，干縮率逐漸增大。在28 d內，2%NC試樣的干縮速率最大達137.5×10-6；2%NS試樣干縮率最大為118.75×10-6。

從圖3與圖4還可以進一步分析水泥砂漿干縮率與齡期的關系。養護早期的干縮率變化較快，特別是在前7 d干縮率的快速增長；7～14 d內增長略有減緩，但仍有大幅度增加；而在14 d后，干縮率的增長速度進一步放緩；最后并在28 d后逐漸趨于穩定。以含2%NC的水泥砂漿干縮率為例，干縮率在前14 d是106.25×10-6，占28 d內干縮量的77.3%。由此可見，納米材料的加入會加速水泥砂漿的收縮，且對前期的干燥收縮的作用更加明顯。

如圖5所示，相對于無添加的普通組，單摻2%NS和2%NC的混凝土的干縮率在前期均有顯著增加，且第28 d的干縮率比普通組分別提高124.8%和85.8%。但雙摻混凝土的干縮率卻介于NS混凝土和NC混凝土之間，并在養護的第28 d后達到171.4×10-6，無明顯差別，說明單摻或雙摻納米顆粒對粉煤灰混凝土的干縮性無顯著影響。

表3 干縮試驗的試樣組別及其物料摻量 kg/m3

圖3 摻NS顆粒混凝土的干縮結果Fig.3 Drying shrinkage of concrete mixed with NS particles

圖4 摻NC混凝土的干縮結果Fig.4 Drying shrinkage of concrete mixed with NC particles

為了進一步研究納米顆粒對混凝土干縮率的影響，分別研究了不同配比的混凝土14 d和28 d的干縮率，發現差異微小。據圖5所示，納米混凝土的平均干縮率為85.7%，略高于14 d的77.3%。

圖5 14 d和28 d的干燥收縮效果對比直方圖Fig 5. Comparison of drying shrinkage effect between 14 days and 28 days

3 納米顆粒的作用機理

納米顆粒具有較小粒徑和較大比表面積，不僅可以增加納米顆粒的表面結合能，還可以在摻雜到水泥基材料中表現出較高的化學活性。水泥發生水化過程需要從外界不斷吸取水分，但納米顆粒會通過毛細管吸收游離水，使得水泥水化過程吸水過程被阻礙[13]。從圖6可以看出納米顆粒分布在混凝土內部的物料顆粒和孔隙中，由于其納米顆粒的表面效應和微觀骨料填充效應改善了水化物的密實度[14]。納米顆粒的表面反映一方面使得混凝土中非結晶水消耗，降低水泥的水化率；另一方面加速水泥水化，導致需要更多的非結晶水補給水化反應。同時，納米顆粒的孔隙填充效應在一定范圍內降低混凝土毛細管負壓，減小混凝土表面與內部的溫度和相對濕度差異，由此降低干燥收縮的發生[15]。

圖6 納米改性混凝土的SEM圖Fig.6 SEM of nano-modified concrete samples

此外，不同納米顆粒對混凝土干燥收縮的影響也存在一定差異。從圖5可以看出，NS混凝土的14 d和28 d干縮率略高于NC混凝土的干縮率。造成這種差異的主要原因是NS平均粒徑較小，比表面積較大，可以發揮更大的作用，加速水泥砂漿整體干燥收縮的減小[16]。對于河套灌區的渠道襯砌而言，選擇性能優良的納米材料，對于混凝土結構的耐久性改善有至關重要的作用。

4 結 論

(1) 在普通水泥砂漿加入納米顆粒后，渠道襯砌混凝土試樣的抗彎和抗壓強度明顯提高。單摻NS最優含量為2%，單摻雜NC的最優含量為3%，雙摻的最佳含量為1% NS和3% NC。

(2)納米顆粒改性的水泥砂漿干燥收縮速率比普通水泥砂漿明顯增加，納米顆粒會讓水泥砂漿的早期干縮率更快。與普通水泥砂漿相比，單摻2% NS和單摻2% NC的水泥砂漿干燥收縮率分別提高了90%和120%；與普通混凝土相比，納米混凝土的干縮率在早期增加明顯；且單摻與雙摻對干縮率的影響差異不大。

(3)納米顆粒對渠道襯砌混凝土干縮率的影響，主要是由于表面效應和微觀骨料填充效應。納米顆粒可以降低水泥的水化率，改善硬化水泥漿體的微觀結構。此外，NS平均粒徑較小，表面能較大，使得NS混凝土干縮率略高于NC混凝土。

(4)渠道襯砌混凝土經過納米改性后，力學性能和干燥收縮性能明顯增加。因此，納米混凝土材料對于延長河套灌區的渠道使用壽命有廣闊的應用前景。