納米纖維路面混凝土配合比及耐久性實驗研究

劉 寧，王初生

（1.寧夏交通建設工程質量監督局，寧夏銀川750011；2.重慶工商大學）

近年來，混凝土材料的耐久性和使用壽命在其作為建筑和路面材料的使用中發揮著重要作用。如混凝土可以作為路面材料用于路面、橋面、機場跑道和停車場，因此它承受著動態載荷，并受到嚴格的環境約束［1］。由于中國西北部分地區氣候條件惡劣，混凝土長期處在凍融環境下，這會極大地降低混凝土耐久性［2］。因而混凝土路面直接暴露在氣候條件下，提高其耐久性、延長其使用壽命已成為國際上一個重大的技術問題。現已有研究證明，粉煤灰取代水泥可提高混凝土的強度和抗凍性能，且粉煤灰的摻量在40%左右時，混凝土的抗壓強度最大、抗凍性能最佳［3］。此外，混凝土振動拌和過程中的振動參數對混凝土強度和抗凍性能也有影響。振動拌和可有效提高混凝土的抗壓強度，且隨凍融次數增加，經振動拌和的混凝土的質量損失和抗壓強度明顯低于采用靜力攪拌的混凝土的對應指標［4］。

納米材料現被廣泛應用在各領域，其中納米二氧化硅是最受關注的納米材料，將其摻入到混凝土中可有效提高混凝土的抗壓強度、抗凍性能等［5-6］。劉常濤［6］研究了不同納米二氧化硅摻量條件下再生混凝土的抗壓強度，發現摻雜納米二氧化硅后，相同凍融次數下混凝土的抗壓強度下降率均明顯小于未摻雜的混凝土，當納米二氧化硅的摻雜量為4%時，混凝土的抗凍性能最好。丁永剛等［7］研究了不同類型納米粒子改性涂層對混凝土疏水和抗凍性能的影響，結果表明納米二氧化硅的疏水性能最好，納米二氧化硅可通過微孔填充和增大粗糙度來提高混凝土的疏水性，當納米二氧化硅的摻量為1%時，有機成膜涂料與納米二氧化硅復合涂層對混凝土抗凍性能的改善效果最明顯。荀永寧等［8］通過實驗得出，納米材料能夠降低混凝土的滲透性和孔隙率，提高了混凝土的力學性能。可見納米類材料能夠有效地提高混凝土的性能，相似的，納米氧化鋁在混凝土中的研究也逐漸增多。不少研究表明，納米氧化鋁的加入可改善混凝土的抗壓、抗拉等性能，還能降低混凝土的吸水率和氯離子滲透，提高混凝土的耐久性［9］。袁富榮等［10］發現，納米氧化鋁代替部分水泥可使混凝土的保水性和粘聚性有所改善，且混凝土的強度明顯提高，當納米氧化鋁的摻雜量為3%時，性能提升最明顯。

近年來，為了改善普通混凝土的脆性，許多研究者開始研究纖維混凝土。根據纖維的種類和性質不同，混凝土的抗拉強度可以達到普通混凝土的幾百倍。陳柳灼等［11］研究了聚丙烯纖維摻雜的C40普通混凝土經凍融循環后性能的變化，發現聚丙烯纖維的加入可減弱凍融對混凝土的損傷。滕飛［12］系統性研究了不同聚丙烯纖維摻雜量和凍融循環次數下混凝土的力學性能，發現聚丙烯纖維的摻雜可明顯改善混凝土的抗凍性能，尤其是抵抗凍融損傷的性能。

為了與普通混凝土的抗凍性和力學性能相比較，本文分別研究了納米顆粒、聚丙烯纖維的混凝土和同時摻雜納米顆粒和聚丙烯纖維的混凝土路面力學性能和抗凍性能的變化規律。

1 實驗部分

1.1 材料及配合比

普通硅酸鹽水泥，化學成分見表1。細集料為天然河砂，含泥量小于0.3%。粗骨料為粒徑約為5～20 nm的碎石。外加劑為聚羧酸高效減水劑。

表1 硅酸鹽水泥的化學組成 %

納米二氧化硅和納米氧化鋁顆粒的特性見表2。使用長度為12 mm、直徑為100μm、密度為0.9 g/cm3的聚丙烯纖維。混凝土試樣的混合比例見表3。

表2 納米材料的特性

表3 混凝土試樣的混合比例 kg/m3

1.2 混凝土試樣的制備

納米顆粒摻雜的混凝土：先在攪拌機中將高效減水劑、水和納米顆粒高速攪拌5 min后保存至器皿中；然后在攪拌機中將粗骨料、砂和水泥低速攪拌2 min，最后將水、高效減水劑和納米顆粒的混合物緩慢倒入攪拌機中并低速攪拌2 min。

聚丙烯纖維摻雜的混凝土：首先將高效減水劑和水充分攪拌后保存至器皿中，再將粗骨料、砂、水泥和聚丙烯纖維在攪拌機中攪拌均勻后，將水、高效減水劑的混合物倒入攪拌機中并攪拌2 min。

將混凝土試樣倒入100 mm×100 mm×100 mm的立方體模具中成型24 h，最后放在20℃的標準潮濕室內養護。

2 結果和討論

2.1 混凝土的形貌

納米顆粒摻雜前后混凝土的微觀形貌變化如圖1所示。圖1a為基準混凝土的掃描電鏡圖，可以看出混凝土表面結構相對粗糙，有不規則的塊狀顆粒分布。圖1b為摻雜納米氧化硅后混凝土的掃描電鏡圖，發現混凝土的表面粗糙度增加，有眾多納米二氧化硅球體分布在表面。圖1c為納米氧化鋁摻雜的混凝土的掃描電鏡圖，可以看到分布均勻的納米氧化鋁片狀結構，混凝土的表面粗糙度也有所增加。

圖1 混凝土試樣的掃描電鏡圖

2.2 抗壓強度

圖2 和圖3顯示了養護7、28、120 d后試樣的抗壓強度。結果表明，在任何情況下，含納米顆粒混凝土抗壓強度的增加量都高于基準混凝土，而聚丙烯纖維的摻雜對混凝土抗壓強度的增加影響不大。

圖2 納米二氧化硅摻雜混凝土試樣抗壓強度的增加率

圖3 納米氧化鋁摻雜混凝土試樣抗壓強度的增加率

養護28 d后，用納米二氧化硅顆粒代替3%的水泥，混凝土抗壓強度比基準混凝土提高了16%。當納米二氧化硅摻雜量從占膠凝材料質量的3%增加到5%時，抗壓強度的提高幅度由16%增加到30%；而當納米二氧化硅摻雜量增加到7%時，抗壓強度的提高幅度則下降到24%，可能是由于混合物中納米二氧化硅顆粒的數量高于水化過程后與游離石灰反應所需的數量，導致濾出多余的二氧化硅，并導致強度不足，也可能是由于納米二氧化硅顆粒在分散過程中產生的團聚和缺陷［13］。因此在抗壓強度方面，5%的納米二氧化硅是最佳用量。與基準混凝土相比，含納米二氧化硅混凝土抗壓強度的提高可歸因為納米二氧化硅的火山灰反應，形成了C-S-H凝膠［14］。

2.3 抗凍性

2.3.1 抗壓強度

在50、150、300次凍融循環后，測定了混凝土試樣的抗壓強度。表4為納米二氧化硅的摻雜對混凝土抗壓強度的影響。可以看出納米顆粒摻雜后混凝土的強度損失遠低于基準混凝土。例如，含有7%納米二氧化硅的混凝土在300次凍融循環后強度損失率為24%，而基準混凝土在300次凍融循環后強度損失率為100%。

表4 含納米二氧化硅混凝土試樣的強度損失 %

表5 為納米氧化鋁摻雜對混凝土抗壓強度的影響，發現納米氧化鋁摻雜后，混凝土的強度損失明顯低于基準混凝土。經300次凍融循環后，隨著納米氧化鋁摻雜量從1%增加到3%，強度損失率由24%下降到20%。

表5 含納米氧化鋁混凝土試樣的強度損失%

表6 為聚丙烯纖維摻雜對混凝土抗凍性的影響。由表6可以看出，聚丙烯纖維對混凝土的抗壓強度略有改善。150次凍融循環后的改善作用最明顯，隨著聚丙烯摻雜量從0增加到0.2%，混凝土強度損失率從65%下降到42%。總的來說，在抗凍性方面，納米顆粒摻雜對提高混凝土抗壓強度的作用高于聚丙烯纖維的摻雜。

表6 含聚丙烯纖維混凝土試樣的強度損失 %

2.3.2 長度變化和質量損失

經300次凍融循環后，測定了納米二氧化硅和納米氧化鋁不同摻雜量下混凝土試樣的長度變化和質量損失，結果見圖4和圖5。從圖4和圖5可知，含有納米顆粒的混凝土的質量損失和長度變化遠低于基準混凝土。在長度變化上，300次循環后，基準混凝土的長度減少了22%，而摻雜3%納米二氧化硅混凝土的長度僅減少5%，且當納米二氧化硅的摻雜量增加到5%時，混凝土的長度損失率減小到2%，再將納米二氧化硅的摻雜量增加到7%時，混凝土的長度損失率則增加為3%。對納米氧化鋁摻雜的混凝土，當納米氧化鋁摻雜量為1%時，混凝土的長度損失率為3%，將其摻雜量提高到3%時，混凝土的質量損失率降低到12%。在混凝土的質量損失上，納米顆粒摻雜后的變化規律與長度損失的趨勢相同。而僅有聚丙烯纖維摻雜時，隨聚丙烯纖維摻雜量的增加，混凝土的長度損失和質量損失變化量較小。

圖4 300次凍融循環后納米二氧化硅摻雜混凝土試樣的長度和質量損失

圖5 300次凍融循環后納米氧化鋁摻雜混凝土試樣的長度和質量損失

綜合實驗結果可知，在混凝土試樣中，含有5%納米二氧化硅和0.2%聚丙烯纖維的混凝土是抗凍性最好的混凝土。

3 結論

1）納米二氧化硅的摻雜可顯著提高混凝土的抗壓強度。當納米二氧化硅的摻雜量為5%時，混凝土的抗壓強度提高效果最佳，達到了30%。2）納米氧化鋁的摻雜對混凝土抗壓強度的提升效果較弱，當納米氧化鋁的摻雜量為3%時，混凝土的抗壓強度提高最多，為8%。3）從長度損失和質量損失方面來看，摻雜5%納米二氧化硅和0.2%聚丙烯纖維的混凝土抗凍性最強。