內摻γ相納米氧化鋁混凝土的力學特性研究

吳 昊，王正君，陳 茜，時廷俊，葉昆河

(1.黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150080；2.黑龍江大學寒區水利工程重點實驗室，哈爾濱 150080)

0 引 言

在建筑工程中，混凝土是一種適應性較強的建筑材料，混凝土的引入將這一工程領域的技術提升到了最大程度。現代建筑結構越來越復雜，這對混凝土提出了更高的要求，而混凝土的設計則會影響混凝土的性能和品質，這直接影響到建筑物的安全性。要提高混凝土的性能，可以從改變混凝土的組成入手。

近年來，由于納米級粒子的各種應用，納米技術引起了巨大的關注，納米技術成為材料科學的新途徑。納米技術的基礎是合成具有特定特性的納米顆粒，用于工業、醫藥、農業等不同的應用領域。經研究，納米顆粒因其特殊的納米尺寸結構，從而具備一定的火山灰活性，對混凝土性能有一定的改善作用，可以作為混凝土改性材料使用，為水泥基復合材料帶來獨特的性能提升。納米材料的使用可能導致傳統建筑材料發展取得新突破，納米技術被認為是最有前途的研究領域之一，可以顯著提高水泥基材料的配合比設計與性能。

張鵬等[1]發現納米SiO2能夠提高混凝土復合材料的抗彎拉強度和抗彎拉彈性模量，其最優摻量為5.0%，但會降低混凝土拌和物的坍落擴展度。李子成等[2]探析了α相納米Al2O3對混凝土抗壓強度與劈裂抗拉強度的影響，發現α相納米Al2O3具有積極作用，并且對劈裂抗拉強度的提升更為明顯。張茂花等[3]發現摻加納米CaCO3可以提高混凝土的抗硫酸鹽腐蝕力，且納米CaCO3摻量為1.0%時，改善效果最明顯。Ren J G等研究了納米SiO2和納米TiO2對混凝土孔隙特性的影響，結果表明，在3.0%的最佳摻量下，納米SiO2和納米TiO2分別可使混凝土砌塊的孔隙率降低15.6%和3.5%，水泥砂漿的孔隙率降低34.7%和16.6%，從而提高抗壓強度。Hamed N等研究了納米黏土分散體對混凝土強度性能的影響，結果表明，納米黏土能夠致密水泥基體，增強混凝土的力學性能，并且納米黏土替代水泥的最佳比例為7.5%。

目前，對于納米SiO2、納米CaCO3等納米材料在混凝土中的應用研究較多，但是關于納米Al2O3在混凝土中的表現的研究相對較少。納米Al2O3是一種無機物，分為α、β、γ等十一種晶型，當前研究用于混凝土中的納米Al2O3有α相和γ相。α相納米Al2O3比表面積較低，幾乎沒有催化活性，不屬于活性氧化物；γ相納米Al2O3比表面積大，具有高活性，屬于活性氧化物。本試驗將γ相納米Al2O3(以下簡稱γ-NA)以質量分數百分比替代水泥，添加到混凝土材料中，制備γ-NA改性混凝土試塊，并養護3d，7d，14d和28d，對其進行立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度試驗并建立立方體抗壓強度-劈裂抗拉強度回歸曲線方程，同時進行掃描電子顯微鏡檢測(SEM)，分析γ-NA在混凝土中的作用效果，探究γ-NA在建筑材料領域中的應用潛力。

1 試驗材料

1.1 納米Al2O3

本次試驗所用γ相納米Al2O3來自上海麥克林生化科技有限公司，白色粉末狀，不溶于水但在水中易分散，納米Al2O3理化特性，見表1。

表1 納米Al2O3理化特性

1.2 水泥、石、砂和水

材料要求為：①水泥：采用黑龍江省天鵝牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其粒徑分布和主要化學成分指標，水泥的粒徑分布，見圖1；水泥化學組成成分，見表2；②粗骨料：10-31 mm碎石；③細骨料：黑龍江省雙城區河砂，經過篩分試驗符合中砂條件，細度模數2.50；④水：采用實驗室自來水。

圖1 水泥的粒徑分布

2 配合比與試驗方法

2.1 配合比

基準組采用配合比石∶砂∶水泥∶水=1 177.43∶587.56∶436.46∶198.55，試驗組保持膠凝材料總量與基準組相同，γ-NA分別以膠凝材料質量的1.5%、3.0%、4.5%等量取代水泥，配合比見表3所示。給各組試件進行編號，JZ表示基準組普通混凝土，γ-NAC表示摻入γ-NA的改性混凝土，1.5、3.0、4.5則分別表示γ-NA的摻量為水泥質量分數的1.5%、3.0%和4.5%。

2.2 試驗方法

試驗前，先將γ-NA加入到部分拌和用水中充分攪拌。攪拌混凝土時先投入石、砂和水泥，干拌均勻，之后加入水攪拌20 s，最后加入γ-NA水分散液攪拌1.5 min，澆筑振實。本次試驗參照GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[4]。制作邊長為100 mm的立方體標準試件，放置24 h后脫模，放入標準養護室中養護3d、7d、14d和28d，養護完成后取出試件，用DYE-2 000型數顯式壓力試驗機進行立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗，用Regulus 8 220型掃描電子顯微鏡進行微觀掃描。

3 試驗結果及分析

3.1 立方體抗壓強度結果與分析

普通混凝土與摻入γ-NA的混凝土試塊的立方體抗壓強度，不同摻量γ-NA對混凝土隨齡期發展的抗壓強度的影響，見圖2。

表2 水泥化學組成成分

表3 混凝土配合比

圖2 不同摻量γ-NA對混凝土隨齡期發展的抗壓強度的影響

圖中可以看出，混凝土中摻入γ-NA后，其抗壓強度出現了較為明顯的增長，在所有齡期內，γ-NAC組混凝土的強度均高于JZ組混凝土，γ-NA對混凝土的強度表現出有利的影響。在γ-NA摻量<3.0%時，混凝土試塊的強度與γ-NA的摻量呈正相關趨勢，表現出強度隨著γ-NA摻量的增長而增長；而當γ-NA的摻量從3.0%增加到4.5%時，除了3d齡期時的混凝土強度稍有增長外，7-28d齡期內的混凝土強度都出現下降趨勢。這表明γ-NA的摻量不宜過多，在3.0%時對混凝土的抗壓強度的改性效果最優。當摻量在3.0%時，3d齡期改性混凝土抗壓強度較普通混凝土增長了32.53%，7d齡期強度增長了31.92%，14d齡期強度增長了18.99%，28d齡期強度增長了15.99%。

一方面，這是因為γ-NA具有較強的火山灰活性，能夠促進水泥的水化反應程度，生成C-S-H(水化硅酸鈣凝膠)和C-A-H(水化鋁酸鈣凝膠)，同時細化雜質Ca(OH)2，從而提高混凝土的強度；另一方面，γ-NA還可以填充混凝土內部空孔隙，使水泥基更加致密。但是γ-NA具有較大的表面積，從而表面能較高，當摻量超過3.0%時，γ-NA會在水泥內部形成團聚，造成混凝土內部形成缺陷，從而降低強度。在3d齡期時，混凝土水化程度較低，較多的γ-NA能夠提高水泥水化的程度，而γ-NA團聚造成的影響相對不明顯，所以4.5%摻量的γ-NA效果最好；當養護齡期到7d之后時，混凝土的水化程度已經較高，4.5%摻量的γ-NA形成的團聚造成的缺陷已經開始不利于強度的發展，導致強度有所下降。

3.2 劈裂抗拉強度結果與分析

普通混凝土與摻入γ-NA的混凝土試塊的劈裂抗拉強度，不同摻量γ-NA對混凝土隨齡期發展的劈裂抗拉強度的影響，見圖3。

圖3 不同摻量γ-NA對混凝土隨齡期發展的劈裂抗拉強度的影響

圖中顯示，在混凝土中摻入γ-NA后，其劈裂抗拉強度增長同樣顯著。在γ-NA摻量<3.0%時，混凝土試塊的劈裂抗拉強度隨著γ-NA摻量的增長而增長，但隨著摻量的增加，其劈裂抗拉強度的增長趨勢逐漸變緩。而當γ-NA的摻量增加到4.5%時，雖然在7d與28d齡期時強度較3.0%摻量的混凝土稍有增長，但漲幅已經不明顯，只增長了2.76%與0.27%，并且在28d齡期時有較大回落，降低了5.71%，整體強度有下降的趨勢。

由于納米材料的高表面能，γ-NA的摻量越高，對于拌和工藝的要求也越高，綜合其在抗壓強度中的表現，可以得出γ-NA摻量在3.0%時對于混凝土劈裂抗拉強度有著最有利的影響。當摻量在3.0%時，3d齡期改性混凝土劈裂抗拉強度較普通混凝土增長了38.73%，7d齡期強度增長了46.19%，14d齡期強度增長了29.89%，28d齡期強度增長了25.16%。

3.3 強度比分析

使用強度比可以更直觀地體現出γ-NA摻量對混凝土前后期強度增長速率的影響，強度比為同齡期下不同摻量γ-NA的試件強度與基準組試件的強度之比，7d與28d抗壓與劈裂抗拉強度比，γ-NA摻量對抗壓強度強度比的影響，見圖4；γ-NA摻量對劈裂抗拉強度強度比的影響，見圖5。

圖4 γ-NA摻量對抗壓強度強度比的影響

圖5 γ-NA摻量對劈裂抗拉強度強度比的影響

圖中可以看出，混凝土中摻加γ-NA后，隨著齡期的增加，其抗壓強度比與劈裂抗拉強度比都出現了不同程度的降低，這說明γ-NA對提高混凝土早期強度發展速率較為有利，而對后期強度發展速率的影響較前期有所減弱。這是因為γ-NA在前期就參與到了水泥的水化進程中，起到了明顯的效果，養護后期γ-NA含量減少，所以效果有所下降。

3.4 脆性分析

混凝土屬于脆性材料，若脆性過高，混凝土容易發生脆裂，形成安全隱患。拉壓比指劈裂抗拉強度與抗壓強度的比值，是一個重要的韌性指標，拉壓比越大，混凝土的脆性越低，抵抗脆裂能力越好[5-7]。通過分析28d養護齡期的γ-NA改性混凝土的拉壓比可以作為衡量γ-NA改性混凝土脆性指標的一個重要的參考。混凝土摻加γ-NA后，拉壓比隨摻量的變化，28d齡期時γ-NA摻量對混凝土拉壓比的影響，見圖6。

圖6 28d齡期時γ-NA摻量對混凝土拉壓比的影響

圖中可以看出，隨著γ-NA摻量的提高，拉壓比表現出先升高后降低的趨勢，在1.5-3.0%之間達到最大值。通過拉壓比變化規律可以看出，3.0%的γ-NA有利于提升混凝土的拉壓比，改善混凝土的脆性。分析其原因，這是因為γ-NA比表面積大，在其表面能夠鍵合大量C-S-H，相互膠結為一個整體，從而約束混凝土出現脆裂，減小混凝土的脆性。

4 立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度間的相關性分析

混凝土的立方體抗壓強度較易獲得，探索立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度間的相關關系并進一步推導出相關的經驗公式，對于預測混凝土的劈裂抗拉強度，推進γ-NA改性混凝土的使用具有重要的參考價值[8]。

根據上述試驗的試驗結果，利用SPSS軟件對3.0%摻量的γ-NA改性混凝土的立方體抗壓強度fcu和劈裂抗拉強度fts之間的相關性關系進行回歸分析，得到其相關性函數關系式：

fts=0.121fcu0.912

(1)

回歸方程的擬合值與實測數據較接近，相關系數R2達到0.989，說明得到的回歸方程足夠精確，立方體抗壓強度-劈裂抗拉強度回歸曲線，見圖7。

圖7 立方體抗壓強度-劈裂抗拉強度回歸曲線

5 SEM圖像

根據以上試驗的試驗結果得出，3.0%摻量的γ-NA對混凝土能夠起到較為明顯的效果，而4.5%摻量的γ-NA會使混凝土強度產生下降的趨勢，為了分析其原因，僅對28d齡期的JZ組、γ-NAC3.0組和γ-NAC4.5組混凝土試樣進行SEM掃描分析。

從SEM圖像可以看出JZ組混凝土水泥基略松散，整體性較差，空隙偏多，這對混凝土的強度有一定的影響；而γ-NAC3.0組混凝土生成了大量無定型狀的C-S-H和C-A-H，結構變得更加致密，整體性較高，從而提升了混凝土的強度。而在圖c中，有明顯的γ-NA團聚現象，這些“團體”占用了原本屬于C-S-H的空間，C-S-H與C-A-H無法填充進來，導致此處形成了缺陷，從而降低了混凝土的強度，這也與之前的試驗結果相吻合。

6 結 論

文章通過制備γ-NA改性混凝土，并分析其立方體抗壓強度與劈裂抗拉強度試驗結果以及SEM圖像，得出以下結論：

1)在混凝土中摻入γ-NA能夠有效提高混凝土的強度，并且當摻量在3.0%以下時，摻入γ-NA的混凝土試塊強度與γ-NA的摻量呈正相關趨勢，摻量越大強度越高；而摻量超過3.0%時，強度有下降趨勢，所以最優摻量為3.0%。

2)得出了γ-NA改性混凝土在最優摻量3.0%時立方體抗壓強度fcu與劈裂抗拉強度fts之間的回歸方程公式為fts=0.121fcu0.912。

3)摻量適中時，γ-NA能夠起到促進水泥水化的作用，生成更多的C-S-H以及C-A-H，并相互膠結水泥基材料，提高密實程度與整體性；而摻量過高時，則會在混凝土內部團聚，形成缺陷，從而降低混凝土的強度。

4)適量的γ-NA還能夠提高混凝土的拉壓比，改善混凝土的脆性，提高抗脆裂性能；而對其提升抵抗脆裂性能的最優摻量在1.5-3.0%之間。