納米材料對再生混凝土抗凍性能的影響

劉常濤

納米材料對再生混凝土抗凍性能的影響

劉常濤

福州理工學(xué)院 建筑學(xué)院, 福建 福州 350000

本文制備了納米再生混凝土樣品并分析了凍融循環(huán)作用下樣品的抗壓強度、質(zhì)量損失率和相對彈性模量等基本抗凍性能。結(jié)果表明：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，再生混凝土的抗壓強度和相對彈性模量逐漸降低，質(zhì)量損失率先減小后增大；納米材料可以有效提高再生混凝土的抗壓強度和相對彈性模量、降低質(zhì)量損失率，最佳納米二氧化硅摻量為4%。

混凝土; 納米材料; 抗凍性能

混凝土材料設(shè)計使用壽命一般為50 a，然而實際使用壽命往往達不到[1,2]。添加納米材料可以有效提高混凝土的使用壽命[3,4]，其中納米二氧化硅是一種常用的納米材料，將其加入混凝土中可以有效提高混凝土的抗壓強度、抗拉強度等力學(xué)特性[5-7]。而粉煤灰和建筑廢棄物是主要的固體廢棄物，占用土地污染環(huán)境[8,9]。因此，為了提高混凝土的抗凍性能，本文在混凝土中加入納米二氧化硅，同時加入粉煤灰和再生粗骨料以消耗固體廢棄料，降低環(huán)境污染。

1 試驗準(zhǔn)備

納米材料再生混凝土的試驗材料由膠凝材料、細骨料、粗骨料和攪拌水組成。其中，膠凝材料包括水泥、粉煤灰和納米材料，化學(xué)成分如表1所示。

表 1 水泥、粉煤灰、納米材料的化學(xué)成分

納米材料再生混凝土的基本材料配比如表2所示。膠凝材料中納米二氧化硅的摻量為2%、4%、6%和8%，粉煤灰摻量為30%；細骨料為河砂；粗骨料為天然粗骨料和再生粗骨料，其中再生粗骨料摻量為30%；水灰比為0.4。

表 2 材料配比

為了保證納米再生混凝土中納米二氧化硅在混凝土中均勻分布，采用如圖1所示的攪拌模式：首先，將粗骨料和細骨料共同攪拌3 min；然后，加入30%膠凝材料攪拌3 min；接著，加入超聲波分散8 min的含納米二氧化硅的攪拌水?dāng)嚢? min；最后，加入剩余70%膠凝材料攪拌3 min。

圖 1 混凝土攪拌過程

當(dāng)再生粗骨料摻量為30%時，不同納米二氧化硅摻量條件下混凝土的坍落度變化曲線如圖2所示。由圖可知，不摻加納米二氧化硅時，再生混凝土的坍落度為205 mm；隨著納米二氧化硅摻量的增大，再生混凝土的坍落度呈急劇減小的趨勢；當(dāng)納米二氧化硅摻量為8%時，再生混凝土的坍落度僅為110 mm。原因在于，納米二氧化硅具有很大的比表面積，與水泥漿進行拌合時會消耗大量的自由水，導(dǎo)致再生混凝土的流動性急劇降低，因此，納米二氧化硅摻量越大，為保證混凝土的和易性，減水劑的摻量也應(yīng)相應(yīng)增大。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 抗壓強度

不同納米二氧化硅摻量條件下再生混凝土抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖3所示。由圖可以看出，不同納米二氧化硅摻量條件下再生混凝土的抗壓強度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小；但摻加納米二氧化硅后，相同凍融次數(shù)下再生混凝土抗壓強度的下降幅度要明顯小于基準(zhǔn)再生混凝土。以凍融循環(huán)次數(shù)200為例，基準(zhǔn)再生混凝土的抗壓強度為28.4 MPa，比凍融前減小了14 MPa；而摻加納米二氧化硅2%、4%、6%和8%時，再生混凝土抗壓強度則分別為35.5MPa、38.4MPa、36.7 MPa、34.4 MPa，比凍融前減小了10.1 MPa，9.7 MPa，9.2 MPa和9.7 MPa。可見，納米二氧化硅的加入不僅可以提高再生混凝土凍融前的抗壓強度，而且可以減小再生混凝土在凍融后的抗壓強度損傷。究其原因在于，一方面，納米二氧化硅存在填充效應(yīng)，可以提高再生混凝土的密實度，減小凍融循環(huán)過程中再生混凝土內(nèi)部孔隙水的含量，進而降低再生混凝土的凍脹破壞壓力；另一方面，納米二氧化硅存在活性效應(yīng)，可與水泥發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成硬度更大的C-S-H凝膠，提高再生混凝土的整體抗壓能力。

圖 2 混凝土的坍落度變化曲線

圖 3 凍融循環(huán)作用下納米再生混凝土的抗壓強度

2.2 質(zhì)量損失率

不同凍融循環(huán)次數(shù)下，納米二氧化硅改性再生混凝土的質(zhì)量損失率分布如圖4a所示。不摻加納米二氧化硅時，基準(zhǔn)再生混凝土先是在凍融次數(shù)為50次時，因吸收凍融水量大于剝落量而導(dǎo)致質(zhì)量增加，而后隨著凍融次數(shù)增加，因剝落量逐漸增大而導(dǎo)致質(zhì)量損失率也相應(yīng)增大，至凍融次數(shù)為250次時，基準(zhǔn)再生混凝土的質(zhì)量損失率接近6%，達到有效工作的極限。而摻加納米二氧化硅后，由于納米二氧化硅的填充與活性效應(yīng)，相同凍融次數(shù)下再生混凝土的質(zhì)量損失率均明顯下降，尤其是納米二氧化硅摻量為4%時，納米二氧化硅對再生混凝土的改性作用最好。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為250次時，2%、4%、6%和8%納米二氧化硅摻量的再生混凝土質(zhì)量損失率比基準(zhǔn)混凝土減小了31.6%、54.4%、47.4%和24.6%。

2.3 相對彈性模量

不同凍融循環(huán)次數(shù)下，納米二氧化硅改性再生混凝土的相對彈性模量分布如圖4b所示。由于凍融循環(huán)次數(shù)的增加，再生混凝土剝落量以及內(nèi)部損傷都逐漸增大，導(dǎo)致再生混凝土的彈性模量也逐漸下降且下降速率越來越快；但相同凍融循環(huán)次數(shù)下，納米二氧化硅改性再生混凝土的彈性模量要明顯大于基準(zhǔn)再生混凝土。以凍融循環(huán)次數(shù)為200次為例，2%、4%、6%和8%納米二氧化硅摻量的再生混凝土相對彈性模量分別比基準(zhǔn)混凝土提高了18.8%、27.7%、24.7%和13.2%。之所以出現(xiàn)這種變化的原因是，當(dāng)納米二氧化硅摻量小于4%時，納米二氧化硅摻量越大，其填充和活性作用就越明顯，越有助于提高再生混凝土的密實度和均勻性；而納米二氧化硅摻量大于4%時，過量的納米二氧化硅就容易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部缺陷增大，反而減弱再生混凝土的抗凍性能。由本文試驗結(jié)果可知，4%納米二氧化硅摻量對再生混凝土的抗凍性能改性最好。

(a) 質(zhì)量損失率 Quality loss rate (b) 相對彈性模量 Relative elasticity modulus

3 結(jié) 論

（1）不同納米二氧化硅摻量條件下再生混凝土的抗壓強度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小；但摻加納米二氧化硅后，相同凍融次數(shù)下再生混凝土抗壓強度的下降幅度要明顯小于基準(zhǔn)再生混凝土；

（2）納米材料再生混凝土的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)了先減小后增大的現(xiàn)象；而相對彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而減小；

（3）相同凍融次數(shù)下，相對基準(zhǔn)再生混凝土，納米二氧化硅改性再生混凝土的質(zhì)量損失率明顯下降而相對彈性模量明顯提高；其中，4%納米二氧化硅摻量對再生混凝土的抗凍性能改性最好。

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The Effect of Nanomaterials on Anti-frost Performance of Recycled Concrete

LIU Chang-tao

350000,

The samples of the nanometer recycled concrete were prepared and analyzed the compressive strength, mass loss rate and relative elasticity modulus etc under the action of freeze-thaw cycle. The results showed that with the increase of freeze-thaw cycles, the compressive strength and relative elastic modulus of recycled concrete decreased gradually, the mass loss rate decreased and then increased. Nanomaterials could effectively improve the compressive strength and relative elastic modulus of recycled concrete, and reduced the mass loss rate. The optimum content of nano silica was 4%.

Concrete; Nanomaterials; anti-frost performance

TU528.01

A

1000-2324(2019)04-0601-03

2018-06-20

2018-07-04

2017年福建省教育廳中青年教師科研項目(JAT170787);福建省本科高校教育教學(xué)改革研究項目(FBJG20190119)

劉常濤(1984-),男,碩士,講師,主要研究方向為土木工程. E-mail:82021587@qq.com