納米二氧化硅摻量對(duì)混凝土耐久性能的影響研究

中圖分類號(hào)：U416.03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.003

文章編號(hào)：1673-4874（2025）04-0008-03

0 引言

混凝土因其制備工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、與鋼筋的黏結(jié)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在公路橋梁領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于基礎(chǔ)交通設(shè)施服役環(huán)境的復(fù)雜化和多樣化，傳統(tǒng)混凝土在耐久性方面的局限性導(dǎo)致其長(zhǎng)期服役性能和安全性不佳，后期維護(hù)及養(yǎng)護(hù)成本逐年增長(zhǎng)。

針對(duì)混凝土的耐久性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采取了多種方法，例如在混凝土中添加聚丙烯纖維、玻璃纖維和鋼纖維，或添加粉煤灰、鋼渣粉和礦渣粉等活性礦物摻合料[2-3]。但這些方法存在一定的局限性，如大量摻入粉煤灰等礦物摻合料將導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能下降，而摻入鋼纖維可能對(duì)混凝土的抗?jié)B性能不利。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，在混凝土中添加納米材料受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，并為混凝土性能的提升提供了新的契機(jī)。蔣建華等4研究納米二氧化硅對(duì)粉煤灰混凝土力學(xué)性能和吸水特性的影響，結(jié)果表明納米二氧化硅能夠有效提高粉煤灰的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，并有效降低其毛細(xì)吸水系數(shù)。孫杰等[5制備了一種復(fù)摻橡膠粉和納米二氧化硅的再生混凝土，發(fā)現(xiàn)在納米二氧化硅摻量為 0～3% 時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能隨納米二氧化硅摻量的增加而增大。王大輝等研究了納米二氧化硅包覆橡膠對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明納米二氧化硅包覆橡膠能夠提高橡膠混凝土的力學(xué)性能。陳曉娟研究了不同納米二氧化硅摻量對(duì)路面混凝土力學(xué)強(qiáng)度及耐磨性的影響，發(fā)現(xiàn)摻入3% 的納米二氧化硅可以將混凝土抗壓強(qiáng)度和耐磨性能分別提高17. 1% 和 28% 。從上述文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，目前的研究大多集中于納米二氧化硅改性混凝土的力學(xué)性能方面，針對(duì)納米二氧化硅改性混凝土耐久性的影響研究還較少。

基于此，本研究設(shè)計(jì)不同摻量的納米二氧化硅改性混凝土，并通過(guò)混凝土碳化深度試驗(yàn)、抗水滲透試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)和抗裂性能試驗(yàn)研究納米二氧化硅摻量對(duì)混凝土耐久性的影響，相關(guān)研究成果可為納米二氧化硅改性混凝土的工程應(yīng)用和配合比設(shè)計(jì)提供參考。

1試驗(yàn)部分

1. 1 原材料

水泥為市售 P?O42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，購(gòu)買自廣西魚峰水泥公司，其3d和28d抗壓強(qiáng)度分別為26.9MPa和 54.3MPa ，3d和28d抗折強(qiáng)度分別為5.64MPa 和8.29 MPa， 。納米二氧化硅購(gòu)買自南京保克新材料有限公司，型號(hào)為 PST-OO2 ，一次粒徑為 20nm SiO含量 599.5% 。細(xì)骨料為石灰?guī)r機(jī)制砂，表觀密度為2 630kg/m³ ，粒徑范圍為 0～4.75mm ，細(xì)度模數(shù)為2.78。試驗(yàn)使用的粗骨料為石灰石碎石，表觀密度為2650kg/m³ ，最大粒徑為26. 5min 。減水劑類型為聚羧酸高效減水劑，減水率為 14% 。水為普通自來(lái)水。

1.2 配合比

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了納米二氧化硅摻量分別為 1%.3% 、5%.7% 和 9% 的5種納米二氧化硅改性混凝土，并以一組不含納米二氧化硅的混凝土作為基準(zhǔn)組，其中納米二氧化硅采用等質(zhì)量法替代水泥。各組混凝土的原材料組成比例如表1所示。

1.3混凝土制備方法

由于納米二氧化硅粒徑極小，直接作為粉體材料投入攪拌機(jī)時(shí)，難以均勻分散在混凝土拌合物中，因此需要首先對(duì)納米二氧化硅進(jìn)行分散處理。為盡可能地使納米二氧化硅均勻分散在混凝土中，本試驗(yàn)參考文獻(xiàn)8方法，根據(jù)設(shè)計(jì)配合比將納米二氧化硅混合于拌和用的水中，攪拌60s后加入減水劑再攪拌30s，最后制成含納米二氧化硅和減水劑的混合液。混凝土的拌和制備按常規(guī)方法進(jìn)行，即依次將粗骨料、水泥、細(xì)骨料投入強(qiáng)制攪拌機(jī)，然后啟動(dòng)攪拌機(jī)，在1min內(nèi)勻速加入混合液，混合液全部加入后持續(xù)攪拌 32min ，直至混凝土拌和均勻。

表1不同納米二氧化硅摻量的混凝土配合比表

1.4 試驗(yàn)方法

本研究以混凝土碳化試驗(yàn)、抗水滲透試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)和早期抗裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同納米二氧化硅摻量下混凝土的耐久性，相關(guān)試驗(yàn)方法參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082一2009）有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，其中抗水滲透試驗(yàn)采用滲水高度法，凍融循環(huán)試驗(yàn)采用快凍法，循環(huán)次數(shù)為100次。

2 結(jié)果與討論

2.1碳化深度試驗(yàn)

如圖1所示為不同納米二氧化硅的混凝土試件7d和28d的碳化深度變化情況。

圖1納米二氧化硅摻量對(duì)混凝土碳化深度的影響柱狀圖

由圖1可知，隨著碳化齡期的增加，所有混凝土試件的碳化深度均逐漸增加。隨著納米二氧化硅摻量的增加，不同碳化齡期混凝土的碳化深度均呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)，在摻量為 5%～7% 時(shí)，納米二氧化硅改性混凝土的28d碳化深度比不含納米二氧化硅的基準(zhǔn)混凝土減小了 18%～23% ，這表明納米二氧化硅在提高混凝土的抗碳化性能方面有積極的作用。混凝土的碳化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其中最主要的因素在于混凝土硬化水泥石中的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳接觸，并反應(yīng)生成碳酸鈣。而納米二氧化硅具有極高的火山灰活性，摻入混凝土中會(huì)發(fā)生二次水化反應(yīng)，大量消耗水泥水化生成的氫氧化鈣，并生成 C-S-H 凝膠。這一過(guò)程不僅減少了混凝土中易碳化的氫氧化鈣，而且生成的 C-S- H凝膠還有效提高了混凝土的密實(shí)性，堵塞了二氧化碳的滲入通道，提高了混凝土的抗碳化能力。然而，試驗(yàn)結(jié)果表明納米二氧化硅的摻量并非越高越好，過(guò)量的納米顆粒可能難以均勻分散，并產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，對(duì)混凝土的密度產(chǎn)生不利影響，從而導(dǎo)致樣品碳化深度增加。

2.2抗水滲透試驗(yàn)

抗水滲透能力是表征混凝土耐久性的重要指標(biāo)。如圖2所示為摻入不同納米二氧化硅的混凝土試件抗水滲透試驗(yàn)結(jié)果。

圖2納米二氧化硅摻量對(duì)混凝土滲水高度的影響柱狀圖

由圖2可知，在 0%～5% 的納米二氧化硅摻量范圍內(nèi)，混凝土的抗?jié)B性能隨著納米二氧化硅用量的增加顯著提高。與不含納米二氧化硅的混凝土相比，含 5% 納米二氧化硅的混凝土的滲水高度降低了約 51% 。這種有益效果得益于納米二氧化硅顆粒所發(fā)揮的納米填充效應(yīng)[10]，即通過(guò)堵塞混凝土中的水分遷移通道，使混凝土密實(shí)度顯著提高，抗水滲透性能增強(qiáng)；同時(shí)，納米二氧化硅還顯著改善了混凝土界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)特性，通過(guò)納米二氧化硅與氫氧化鈣的二次水化反應(yīng)改變界面過(guò)渡區(qū)氫氧化鈣的含量和晶體取向性[11]，生成的大量 C^- S-H 凝膠提高了界面過(guò)渡區(qū)密實(shí)性。當(dāng)納米二氧化硅含量達(dá) 7% 時(shí)，其對(duì)混凝土抗?jié)B性能的改善效果開始減弱，表現(xiàn)為混凝土的滲水高度有所回升，但與基準(zhǔn)組混凝土相比，其仍具有十分優(yōu)良的抗?jié)B性能。當(dāng)納米二氧化硅含量達(dá) 9% 時(shí)，納米二氧化硅對(duì)混凝土抗?jié)B性能的改善效果顯著下降。因此，就混凝土的抗?jié)B性能而言，納米二氧化硅的適宜摻量為 5%～7% 。

2.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)

抗凍性是寒冷環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)最重要的耐久性評(píng)估指標(biāo)之一。圖3顯示了不同納米二氧化硅摻量混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果。

由圖3可知，當(dāng)納米二氧化硅摻量為 1% 和 3% 時(shí)，納米二氧化硅改性混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量均高于不含納米二氧化硅的基準(zhǔn)混凝土，并且經(jīng)歷75次凍融循環(huán)后，其相對(duì)動(dòng)彈性模量仍 gt;60% ，而基準(zhǔn)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量 152% 。當(dāng)納米二氧化硅摻量 53% 時(shí)，納米二氧化硅改性混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量總體上低于基準(zhǔn)混凝土，且在摻量達(dá) 9% 時(shí)顯著下降。總的來(lái)說(shuō)，納米二氧化硅在提高混凝土抗凍性能方面具有積極的作用。當(dāng)納米二氧化硅摻量適宜時(shí)，混凝土的密實(shí)性得到提高，進(jìn)而獲得優(yōu)良的抗凍性能。相反，摻入過(guò)量的納米二氧化硅可能會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，造成混凝土內(nèi)部缺陷的增加，對(duì)混凝土的抗凍性產(chǎn)生不利影響。因此，對(duì)于混凝土的抗凍性能，其最佳的納米二氧化硅摻量范圍為 1%～3% 。

2.4 抗裂試驗(yàn)

圖4顯示了納米二氧化硅摻量對(duì)混凝土抗裂性能的影響情況。

圖3不同納米二氧化硅摻量下混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量柱狀圖

圖4不同納米二氧化硅摻量下混凝土的單位總開裂面積和裂縫數(shù)量柱狀圖

為 5%～7% 的納米二氧化硅摻量是確保混凝土具有優(yōu)良抗裂性能的最佳摻量。

由圖4可知，隨著納米二氧化硅摻量的增加，混凝土表面單位總開裂面積呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)。與不含納米二氧化硅的基準(zhǔn)混凝土相比，摻入 1% 的納米二氧化硅便能使混凝土的單位總開裂面積降低 39.1% ，而當(dāng)納米二氧化硅摻量達(dá) 3%～7% 時(shí)，混凝土的單位總開裂面積急劇下降88 .78%～89.4% 。從裂縫數(shù)量來(lái)看，當(dāng)納米二氧化硅含量由0提高至 7% 時(shí)，混凝土的裂縫數(shù)量從10條減少到4條，表明納米二氧化硅能夠有效提高混凝土的抗裂性能。這主要是因?yàn)榧{米二氧化硅較大的比表面積使其具備較好的保水性，從而有效減少混凝土因自由水蒸發(fā)所造成的干燥收縮1，從而降低了混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)。隨著納米二氧化硅摻量提高至9% ，混凝土的單位總開裂面積和裂縫數(shù)量出現(xiàn)了明顯的回升，但其抗裂性能仍然優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土。綜上分析，結(jié)合混凝土的單位總開裂面積以及裂縫數(shù)量來(lái)看，可以認(rèn)

3結(jié)語(yǔ)

本研究借助碳化試驗(yàn)、抗水滲透試驗(yàn)、抗凍試驗(yàn)和早期抗裂試驗(yàn)，對(duì)不同摻量納米二氧化硅改性混凝土的耐久性展開研究，并基于試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）添加納米二氧化硅是提高混凝土耐久性能的有效途徑。隨著納米二氧化硅摻量的增加，混凝土的碳化深度、滲水高度、相對(duì)動(dòng)彈性模量、單位總開裂面積和裂縫數(shù)量總體上呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。在適宜摻量下，納米二氧化硅改性混凝土的碳化深度、滲水高度和單位總開裂面積相較于基準(zhǔn)混凝土，最高分別降低了23%.51% 和89. 4% ，裂縫數(shù)量由10條減少至4條，并且在經(jīng)歷75次凍融循環(huán)后，其相對(duì)動(dòng)彈性模量仍 gt;60% 。

（2）針對(duì)不同的混凝土耐久性能指標(biāo)，納米二氧化硅適宜摻量是不同的。對(duì)于混凝土抗碳化性能、抗?jié)B性能和抗裂性能而言，其最佳的納米二氧化硅摻量為 5% ～7% ；而對(duì)于混凝土的抗凍性能而言，其最佳的納米二氧化硅摻量為 1%～3% 。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)混凝土的耐久性要求選取納米二氧化硅的適宜摻量，如在寒冷地區(qū)宜摻入 3% 的納米二氧化硅。 ⑦

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