納米活性粉末對混凝土自愈性能影響的試驗研究

靳潔林,徐濤,劉曉鳳,李凱,徐沛保,

（1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601；2.安徽新基建有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

由于混凝土抗拉強度相對較低，開裂是一種常見現象。高拉應力可由外部荷載、施加的變形(由于溫度梯度、受限收縮和差異沉降)、塑性收縮、塑性沉降和膨脹反應(如由于鋼筋腐蝕、堿硅反應、硫酸鹽侵蝕)等造成。如果不立即進行適當的修復，裂縫會進一步擴大，最終需要昂貴的修復費用。混凝土的耐久性也會受到這些裂縫的影響，因為它們可能會為含有有害物質的液體和氣體的運輸提供滲入的途徑。如果裂縫擴展到鋼筋，不僅混凝土本身可能受到損傷，暴露在水和氧氣中的鋼筋，可能被含有二氧化碳和氯化物等物質腐蝕。因此，微裂紋是結構破壞的前兆[1]。對于裂縫的修補，有多種方法可采用，但傳統的修補方法有許多不利的方面。采用自修復方法修復混凝土結構的固有裂縫是目前最有前途的方法之一，特別是近十年來，許多學者對混凝土的自愈能力進行了研究。

混凝土的自愈合是由以下兩種主要機制引起的：自體愈合和自主/工程愈合。混凝土中小裂縫的自愈是一個自然的過程，這與材料本身的性質和組成有關。這主要是由水泥進一步水化和碳酸鈣沉淀引起的。自主愈合是一個工程愈合過程，旨在提高混凝土元素的自我愈合能力。此外，自主/工程愈合可以進一步分為“主動”和“被動”模式。“主動”模式需要人的幫助來激活機制，而“被動”模式則不需要人的干預。自主愈合的方法之一是使用自愈合外加劑，如納米填料、纖維等。

目前使用的混凝土自愈技術[2]大多是在混凝土中摻入一些纖維[3-6]、微生物[7-9]或者是摻入含有修復劑的微膠囊[10-12]。前兩種方法的目的是限制裂縫的寬度在混凝土內，而后者的目的是通過破碎的修補劑膠囊直接粘結或填補裂縫。雖然這些方法能夠使得混凝土的裂縫在一定程度上愈合，但其缺點也是顯而易見的。如纖維增強自愈技術所需的時間[13]；混凝土內部的高堿性和機械攪拌的無規則強作用力,會使得微生物處于無保護狀態,進而大面積死亡無法達到預期效果[14]；微膠囊受力靈敏度的要求高[14-15]等問題。

針對上述自愈技術存在的一些問題，國內外學者開始研究納米填料（二氧化硅、二氧化鋯等）對混凝土自愈性能的影響[16-17]。Huseien等人[18]將納米粒子稱為是由化學合成而產生的材料，因此，它們可以生成結構均勻的產品和具有“完美原子和分子有序性”的納米級晶體，從而為納米顆粒用于自愈合水泥漿體提供了有力的證據；Stefanidou等人[19]在混凝土中摻入納米二氧化硅后，開裂水泥漿體在水中浸泡七天可進行自我修復，且二氧化硅的摻入有利于方解石的析出，顯著降低了水泥漿體在水中的開孔率；Tsardaka等人[20]研究發現在水泥漿體中添加納米顆粒有利于水泥漿體的愈合，且在水中愈合速度加快；Gohar[21]研究發現加入納米顆粒可使混凝土具有更高的抗壓強度；Rajasegar[22]研究發現納米二氧化硅提高了混凝土的抗壓強度；Evangelia[23]研究發現納米氧化鈣的添加減少了水通過裂縫的滲透，并提高了自愈效率，且自愈效果要好于納米二氧化硅。

與傳統自愈合技術相比，納米填料的摻入可以改善混凝土空間網絡結構，并在微尺度上控制水化產物的形態。反過來又影響混凝土裂縫的空間分布。有研究表明，納米填料具有成核效應、吸水效應及很好的填充效應，因此，當在混凝土中摻入適量的納米填料時，納米粒子可以填充混凝土內部的孔隙，提高其密實度，進而提高混凝土強度，且納米填料能夠促進混凝土裂縫的自愈，但研究成果相對較少[24]。對此，本文試驗研究納米二氧化硅(NS)和納米二氧化鋯(NZ)對混凝土自愈性能的影響。通過在混凝土中分別摻入質量含量α=1.5%、2%、2.5%的NS和NZ制備得到了納米活性粉末混凝土(NRPC)，對其進行抗壓強度恢復率的試驗研究，探索納米填料的含量與種類對混凝土自愈性能的影響變化趨勢。

2 試驗

2.1 原材料及試件制備

2.1.1 原材料

本文采用的原材料包括：水泥選用中材安徽水泥有限公司生產的P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，密度3050kg/m3,比表面積332m2/kg，初凝時間為194min，終凝時間為261min；粉煤灰選用安徽省聯合發電有限公司生產的F類Ⅰ級粉煤灰，密度2280kg/m3，細度6.1%，燒失量2.95%；細骨料選用安徽中砂細骨料，細度模數2.7；粗骨料選用巢湖散兵5mm～31.5mm連續級配的天然碎石，其中小石子∶大石子=20%∶80%；礦渣粉選用安徽長江規格型號為S95的礦渣粉；膨脹劑選用萊陽龍升的UEA混凝土膨脹劑，混凝土的15天縱向限制膨脹率＞0.02%,180天縱向限制干縮率＜0.02%，防水性能良好，達到標號P12以上；納米SiO2選用河北柯澤金屬有限公司20nm的納米SiO2，平均粒徑純度為99.9%，比表面積為240m2/g，體積密度為0.06g/cm3，密度為2.2g/cm3～2.6g/cm3；納 米ZrO2選用河北柯澤金屬有限公司20nm的納米ZrO2，平均粒徑純度為99.9%，比表面積為95m2/g，體積密度為1.98g/cm3，密度為6.0g/cm3。

2.1.2 試件制備

本文NRPC配合比按照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011)來制定，分別摻入三種不同含量的NS和NZ來測定其抗壓強度。具體配合比如表所示。成型的NRPC試塊尺寸為150mm×150mm×150mm。每種納米填料摻量制得三個試塊，以三個試件測值的平均值作為該組試件的抗壓強度試驗結果。當三個試件強度中的最大值或最小值之一，與中間值之差超過中間值的15%時，取中間值。當三個試件強度中的最大值和最小值，與中間值之差均超過中間值的15%時，該組試驗應重做。

NRPC配合比

制備的試樣如圖1所示，具體步驟如下：

圖1 試樣

①將鋼板及鐵鍬清洗干凈并保持一定的濕潤度；②將納米材料加入到稱好的拌合水中攪拌均勻備用；③在鋼板上用鐵鍬將其他材料拌至顏色均勻；④將拌至均勻的材料堆成錐形，然后將其中間挖成凹坑，向里面慢慢倒入含有納米材料的拌合水，將拌合水倒完之后再翻拌八次，從拌合水倒完時算起，翻拌過程應在十分鐘內完成；⑤將翻拌均勻的混凝土拌合物裝入已準備好的模具中，放入實驗室內養護；⑥24h后脫模，之后將試塊放入標準養護箱中養護28d。

2.2 測試設備與數據處理方法

本試驗以NRPC的抗壓強度恢復率為指標來研究納米填料對混凝土自愈性能的影響，抗壓強度試驗依據《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150-2017）[25]進行，采用示值誤差不大于標準值±1%的壓力試驗機，且具有加荷速度控制裝置，并能均勻、連續地加荷，試驗機已定期校正。

目前，自愈混凝土的養護過程分為兩種，一種是在水中養護，另一種是在空氣中養護。根據已有研究表明，潮濕和水分充足的養護過程更有利于混凝土修復[26-28]。因此，本試驗的試塊都是放在溫度為（20±2）℃的水中養護。具體試驗步驟如下：

①將養護28d后的試塊取出進行抗壓強度試驗，以0.3MPa/s～0.5MPa/s的速度連續而均勻地加載，當試件接近破壞而開始迅速變形時，停止調整油門，直至試件破壞，記錄破壞荷載。每組三個試塊，先取一組試塊測得其極限抗壓強度fc，剩下兩組試塊分別預壓至β=60%fc和β=80%fc[29-30]；

②試塊全部加載完后之后將其放入溫度為20℃左右的水中養護28d；

③將達到養護齡期的試塊取出，再測其全部抗壓強度；

④通過比較NRPC的抗壓強度和修復后的抗壓強度，分析納米填料的摻入對混凝土自愈效果的影響。

數據處理公式如下：

納米填料凈恢復率ΚN按下式計算：

KN=Kc-Kc0。式中，Kc0是空白組的強度恢復率。

3 結果與討論

圖2給出了NS和NZ對混凝土試塊抗壓強度的影響規律。從圖中可以看出NS和NZ的摻入都明顯地提高了混凝土的抗壓強度，且NS的提高效果更加明顯。此外NS與NZ的最佳摻量均為2%，其中NS最高提高了8.75%，NZ最高提高了4.69%。

圖2 納米填料對混凝土抗壓強度的影響

圖3給出了NS對不同預壓強度的混凝土抗壓強度的影響，從圖中可以看出NS的摻入提高了混凝土的抗壓強度。預壓60%fc與預壓80%fc的試塊放在水中養護28d后，NS摻量為1.5%時抗壓強度最高，達到了36.4MPa。總體而言，在預壓力作用下產生局部損傷時，NS的摻量為1.5%時對提高其抗壓強度效果最佳。

圖3 NS對不同預壓程度混凝土極限強度的影響

圖4給出了NZ對不同預壓程度的混凝土抗壓強度的影響，從圖中可以看出預壓60%fc的試塊在水中養護28d后，NZ摻量為2%時抗壓強度最高，達到了 38.5MPa；摻量為 2.5% 時預壓 80%fc的試塊其抗壓強度最高，達到了34.5MPa。從整體上看，雖然圖中曲線存在交叉，但是整體變化趨勢一致，NZ的摻入對混凝土的極限抗壓強度均有一定的提高。

圖4 NZ對不同預壓程度混凝土極限強度的影響

圖5給出了納米填料對混凝土抗壓強度恢復率的影響，從圖中可以看出摻入NZ對提高混凝土的強度恢復率比摻入NS要好，且2%NZ的強度恢復率最高，達到了123.4%，此外NZ的摻量低于2%時，其強度恢復率隨著NZ摻量的增加而提高，而摻量大于2%時，其強度恢復率有所降低。2%NS的強度恢復率最高，達到了118.8%，當NS的摻量低于2%時，其強度恢復率隨著NS的增加而提高，當摻量高于2%時，其強度恢復率隨著NS的增加而降低。因此，整體來說，NS的最佳摻量為2%。但NS與NZ的摻入在整體上都不同程度地提高了混凝土抗壓強度恢復率。

圖5 納米填料對混凝土強度恢復率的影響

圖6給出了納米填料的凈強度恢復率比較，從圖中可以看出2%NZ的凈強度恢復率提高最多，達到了10.8%，且摻量低于2%時，凈強度恢復率隨著摻量的增加而有所增加，但摻量高于2%時，凈強度恢復率有所降低。因此，NZ的最佳摻量為2%。2%NS的凈強度恢復率提高最多，為6.1%，但摻量高于2%時凈強度恢復率開始顯著降低。因此，NS的最佳摻量為2%。但NS與NZ的加入都使得強度恢復率有所提高，可以看出NS與NZ的加入使得納米填料混凝土達到了一定自愈效果。

圖6 納米填料的凈強度恢復率比較

4 結論

本文主要探索了納米填料的含量與種類對混凝土自愈性能的影響變化規律，以其28d的抗壓強度恢復率來表征其自愈效果。由試驗數據分析可知：首先納米填料NS與NZ的摻入均使得混凝土的抗壓強度有所提高，兩者的最佳摻量均為2%，且NS的提高效果更加明顯；其次NS與NZ的摻入提高了預壓混凝土試塊的極限抗壓強度，當強度預壓80%時1.5%NS混凝土抗壓強度最高，當強度預壓60%時2%NZ混凝土的抗壓強度最高；最后納米填料的摻入均使得混凝土的強度恢復率在不同程度上有所提高，在強度自愈效果方面，兩者的最佳摻量都為2%。這些試驗結果可為納米材料在自愈混凝土中的應用提供參考。