不同粉煤灰摻量下納米二氧化硅混凝土的抗滲及抗壓性能研究

胡明華 許魁

（1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司 安徽 合肥 230088；2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心 安徽 合肥 230088）

水泥基材料中加入納米二氧化硅，能夠降低混凝土的坍落度與擴展度，能夠提高混凝土的早期抗壓強度，對后期強度影響不明顯，能夠增大混凝土的自收縮應變，提高混凝土的抗氯—滲透性和抗凍耐久性［1］。為了實現混凝土的綠色發展，有效利用粉煤灰等廢棄原材料，現多將粉煤灰摻入水泥基材料中，但由于粉煤灰的加入取代了大量水泥，導致粉煤灰的活性激發不完全，從而使得混凝土早期性能偏低，且粉煤灰的大量摻入時，降低水泥基材料的耐久性能。因此，當納米二氧化硅與大摻量粉煤灰耦合作用下，水泥基材料的力學性能和耐久性能是否會提高需進一步研究。

李婕等人基于試驗結果，利用MATLAB 數值計算軟件，提出了不同粒徑及摻量下納米二氧化硅混凝土力學性能預測模型，同時，借助SEM電鏡試驗，對納米二氧化硅增強混凝土力學性能機理進行分析［2］。鄭俊穎通過改變二氧化硅的摻量，研究了混凝土圓柱體的軸心抗壓試驗和劈裂抗拉試驗，結果表明，摻入二氧化硅后，混凝土的抗壓強度及抗拉強度均有所提高［3］。李振發研究了不同摻量水平下納米二氧化硅對混凝土的抗壓強度、抗彎拉強度、F-CMOD曲線及斷裂能的影響規律，結果表明，納米二氧化硅的摻入對混凝土的性能均有一定程度的提高［4］。林培桐等人利用沉淀法制備的納米二氧化硅（PNS）極強的火山灰活性能改善大摻量礦粉—水泥膠凝體系早期抗壓強度低、內部結構疏松等缺陷，研究了PNS 對大摻量礦粉—水泥膠凝體系抗壓強度、抗氯離子滲透性的影響，通過XRD、TGDSC 及MIP，對該體系的水化產物與孔結構進行微觀分析［5］。陳燕通過正交試驗分析了FA摻量、PCE摻量和NS/NC/GO 摻量各影響因素對納米復合凈漿及砂漿的流變參數、流動度、抗折強度及抗壓強度影響效應的大小，并得出納米復合凈漿與砂漿流變性能影響之間的聯系，深入探究不同納米材料復合自密實水泥基材料流變規律，明晰流變性能與宏觀性能的關系［6］。方小婉等人通過雙摻粉煤灰及礦渣，研究了混凝土的強度及抗滲性能，實驗中改變粉煤灰的摻量和礦渣摻量，得出了不同摻量下混凝土的抗壓及抗滲規律，并給出了最優配合比［7］。

粉煤灰和納米二氧化硅耦合作用下對混凝土的力學性能及抗滲性能較普通混凝土更為復雜，同時，雙摻情況下對混凝土的力學性能及抗滲性能影響任缺少研究。本文旨在通過添加不同摻量粉煤灰來研究二氧化硅混凝土抗壓及抗滲性能，為確定不同粉煤灰摻量下納米二氧化硅混凝土的配合比打下基礎，為新型綠色混凝土的應用探索提供新思路。

1 試驗

1.1 原材料

試驗采用的水泥為PII52.5型硅酸鹽水泥，粉煤灰是電廠生產的二級粉煤灰，二氧化硅采用的是市面采購的二氧化硅。試驗采用的粉煤灰和二氧化硅的化學組成見表1、表2。

表1 粉煤灰化學組成（單位：%）

表2 二氧化硅參數

1.2 試驗方案

旨在研究不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土早期力學性能和抗滲性能，故試驗確定了變量因素為不同粉煤灰摻入量，結合已有的研究成果，粉煤灰摻量分別定級為0%、10%、20%及30%，二氧化硅的摻量為1.5%，養護溫度為室溫。試驗配合比如表3 所示。按配合比制備150mm×150mm×150mm 的立方體試件，測試不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土不同齡期的抗壓強度。按配合比制備175mm×185mm×150mm 的圓柱體，測試不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土的抗滲性能。

表3 試驗配合比（單位：（kg/m3）

1.3 試驗開展

1.3.1 試驗制作

將需要的石子洗干凈并曬干或用烘箱烘干，砂子曬干并用篩子篩出試驗所需要粒徑，并且要保證石子和砂的干燥，根據0.55 的水灰比，稱出所需的石子、砂子、二氧化硅、粉煤灰、石灰和水，進行攪拌。由于二氧化硅在攪拌過程中易產生凝結，攪拌時間要相比于普通混凝土攪拌時間延長一倍，在混凝土攪拌結束前，把相應的混凝土模具（150mm×150mm×150mm、175mm×185mm×150mm）準備好，且在其內壁抹上一定的脫模劑，待混凝土攪拌完成后，將混凝土拌合物裝入模具中，然后放在振動臺上振搗密實，在其表面冒出浮漿并且氣泡不再冒出時停止振搗。振搗結束后，用不透水的塑料袋將模具和混凝土密封在室溫下養護，養護1～2d拆模具。立方體混凝土試塊每組分別養護3d、7d、14d、28d 后進行抗壓試驗，圓臺養護28d 后進行抗滲試驗。混凝土試件制作如圖1所示。

圖1 混凝土試件制作

1.3.2 混凝土抗壓

將制作好的立方體混凝土試塊養護3d、7d、14d、28d 后取出，放入壓力試驗機進行試驗。在試驗過程中，應連續均勻地加荷，混凝土強度等級＜C30時，加荷速度取每秒鐘0.3～0.5MPa；C30≤混凝土強度等級＜C60時，取每秒鐘0.5～0.8MPa；混凝土強度等級≥C60時，取每秒鐘0.8～1.0MPa。當試件接近破壞開始急劇變形時，應停止調整試驗機油門，直至破壞，然后記錄破壞荷載。混凝土試件抗壓試驗如圖2所示。

圖2 混凝土試件抗壓試驗

1.3.3 混凝土抗滲試驗

圓臺混凝土試塊養護到28d 的齡期，用鋼絲刷刷去圓臺混凝土試塊上下兩端的水泥漿面，圓臺混凝土試塊晾曬干后，用水泥和黃油密封，水泥和黃油取質量比為3∶1攪拌均勻，之后用毛刷將其均勻地涂抹在圓臺混凝土試塊的側面，并且要讓水泥與黃油的混合物完整地覆蓋在上面，厚度為1～2mm，用壓力機將試塊壓入試模中，讓試塊與試模底部齊平。將試件放入抗滲儀中，進行試驗。混凝土試件抗滲試驗如圖3所示。

圖3 混凝土試件抗滲試驗

2 試驗結果與討論

2.1 粉煤灰對納米二氧化硅混凝土抗壓性能影響

抗壓強度試驗采用的是150mm×150mm×150mm的立方體試件，分別測試試塊3d、7d、14d及28d的抗壓強度，試驗結果見表4。

表4 不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土抗壓強度

不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土抗壓強度的變化規律如圖4所示。

圖4 不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土抗壓強度

從圖4（a）可以看出，在養護時間內，二氧化硅混凝土抗壓強度隨著粉煤灰摻入量的增加而減小，且當養護時間為28d時，粉煤灰摻入量為0%、10%及20%時的抗壓強度基本相等，但粉煤灰摻入量為30%時有較大程度上的降低，相比于摻入量為20%時降低了接近22%。分析原因，是由于粉煤灰的摻入替換了部分水泥，使水化作用下生成C-S-H凝膠量減小，降低了混凝土的抗壓強度，當粉煤灰摻入量達到30%時，混凝土微結構已發生了較大的變化，導致抗壓強度有加大幅度的降低。

圖4（b）為不同粉煤灰摻入量下二氧化硅混凝土抗壓強度的變化幅度，當養護時間為3d 時，粉煤灰摻入量為10%時的混凝土抗壓強度未產生降低，其主要原因是當粉煤灰摻入量較少時，雖然替代了部分水泥，但由于粉煤灰形態效應、活性效應及微集料效應的存在，其摻入提高了混凝土的勻質性和致密性，保證了混凝土抗壓強度不低于普通混凝土強度。從混凝土成型時間角度分析，二氧化硅混凝土在初凝14d 前抗壓強度提高速率較快，14d后變化速率緩慢，粉煤灰摻入量越高的二氧化硅混凝土強度成型時間越長。7d和14d的混凝土抗壓強度差值較大，當達到28d后，差值又減小，其主要原因是粉煤灰是一種惰性材料，隨著養護時間的增加才發生反應。

2.2 粉煤灰對納米二氧化硅混凝土抗滲性能影響

抗滲試驗采用的是175mm×185mm×150mm 的圓柱體試件，分別測試不同粉煤灰摻量下試件28d 后的抗滲性能，主要測量試件試驗后內部水分的滲水高度，試驗結果見表5。

表5 不同粉煤灰含量混凝土抗滲水高度表

不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土抗壓強度的變化規律如圖5所示。

圖5 不同粉煤灰摻量下二氧化硅混凝土抗滲試驗

由圖5中可知，隨著粉煤灰摻入量的增大，滲水高度不斷減小，表明混凝土抗滲性能不斷提高，主要原因是粉煤灰粒徑較小，具有一定的物理填充作用，隨著粉煤灰摻入混凝土中，填充混凝土中的空隙結構，阻礙了水分在空隙結構中的傳輸，提高了混凝土的抗滲性能。當粉煤灰摻入量低于20%時，混凝土抗滲性能提高幅度較小；當粉煤灰摻入量超過20%后，抗滲性能提高幅度較大，主要原因是粉煤灰摻入量超過20%后，混凝土中的孔結構已經被大面積填充，抗滲性能提高較大。

3 結語

（1）納米二氧化硅混凝土抗壓強度隨著粉煤灰摻入量的增加而減小。當粉煤灰摻量超過30%時，混凝土強度下降最為明顯。摻入一定量粉煤灰的混凝土前期強度較普通混凝土降低較多，但隨著養護時間增加，其差值逐漸減小。

（2）納米二氧化硅混凝土抗滲性能隨著粉煤灰摻入量的增加而增大。當粉煤灰摻量超過20%后，抗滲性能提高幅度較大。