納米SiO2橋梁混凝土抗鹽凍剝蝕性能試驗(yàn)研究

于文勇，孫 凌，丁劍霆，王慧穎，石桂梅

(黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

納米SiO2橋梁混凝土抗鹽凍剝蝕性能試驗(yàn)研究

于文勇，孫 凌，丁劍霆，王慧穎，石桂梅

(黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

寒冷地區(qū)橋梁混凝土由于除冰鹽的使用使得引起的鹽凍剝蝕破壞，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)提前喪失使用功能。將納米SiO2加入到橋梁混凝土中進(jìn)行抗鹽凍性能試驗(yàn)研究, 結(jié)果表明：由于納米微粉與納米級(jí)水化C-S-H凝膠大量鍵合，把松散的水化硅酸鈣凝膠變成納米微粉為核心的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得混凝土更加密實(shí)，摻加一定量的納米SiO2混凝土較空白混凝土抗鹽凍剝蝕性能有較大地提高。

納米SiO2；橋梁混凝土；鹽凍剝蝕；抗鹽凍性能

在寒冷地區(qū)，由于冬季降雪，為保證正常運(yùn)營，經(jīng)常在路面、橋面使用除冰鹽，由此帶來非常嚴(yán)重的耐久性破壞——鹽凍剝蝕破壞[1-2]；沿海地區(qū)處于海水中的橋墩經(jīng)受的條件則更加惡劣——海水腐蝕、鹽凍破壞，嚴(yán)重地引起鋼筋銹蝕，保護(hù)層剝落，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)提前喪失功能[3]。無論是路面混凝土、橋面鋪裝混凝土還是海水中的混凝土橋墩，其鹽凍破壞都較普通的凍融破壞更加嚴(yán)重[4]。

本文將納米材料加入到橋梁混凝土中，利用納米粒子巨大的比表面和特殊的表面特性，使選用的納米微粉與納米級(jí)水化C-S-H凝膠大量鍵合，把松散的水化硅酸鈣凝膠變成納米微粉為核心的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得混凝土更加密實(shí)，減少腐蝕介質(zhì)的侵入，提高橋梁混凝土抗鹽凍性能[5-6]。

1 原材料選擇及試件制備

1.1 原材料

水泥：試驗(yàn)研究選用哈爾濱水泥廠PO42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，3 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為27.3 MPa、4.0 MPa。28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為47.6 MPa、7.3 MPa，主要化學(xué)成分見表1。其他指標(biāo)符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)要求。

粉煤灰：呼蘭第三發(fā)電廠燃燒煤粉產(chǎn)生的粉狀殘?jiān)Ｋ闹饕煞质荢iO2、Al2O3和Fe2O3，這3種成分的總含量大于70%,見表2。

表1 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥的主要化學(xué)組成

表2 粉煤灰化學(xué)成分

納米材料：選用杭州萬景新材料有限公司產(chǎn)品納米氧化硅，白色粉末，SiO2含量大于99.9%,比表面積為200±30 m2/g。

外加劑：選用黑龍江科曼建筑材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率15%。

砂：產(chǎn)自玉泉砂場，砂細(xì)度模數(shù)為2.3，級(jí)配滿足Ⅱ區(qū)要求，其他各項(xiàng)指標(biāo)滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50-2011)Ⅱ類砂要求。

碎石：選自賓縣賓西料場， 31.5～4.75連續(xù)級(jí)配，其他各項(xiàng)指標(biāo)滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50-2011)Ⅱ類碎石要求。

1.2 混凝土配合比

本試驗(yàn)研究分別制備了C40空白混凝土、摻粉煤灰混凝土和納米SiO2混凝土，粉煤灰摻量為20%，納米氧化硅摻量分別為水泥用量的0.5%、1.0%、2.0%、3.0%，等量替代水泥，編號(hào)分別為H0、HF、HS1、HS2、HS3、HS4，配合比見表3。

表3 1 m3混凝土各材料用量

2 單面凍融試驗(yàn)

2.1 試件成型與養(yǎng)護(hù)

按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)進(jìn)行單面凍融試驗(yàn)，按前述配合比成型單面凍融試驗(yàn)用試件。首先制備尺寸150 mm×150 mm×150 mm試件，試件編號(hào)同前。在水中養(yǎng)護(hù)7 d后取出，對(duì)試件進(jìn)行切割得到尺寸150 mm×110 mm×70 mm的單面凍融試驗(yàn)用試件。在室溫下放置至24 d，除測(cè)試面和與測(cè)試面相平行的頂面外，涂以硅膠固化劑密封，密封后的試件置于溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為(65±5)%的實(shí)驗(yàn)室中至28 d，準(zhǔn)備試驗(yàn)[7]。

2.2 試驗(yàn)方案

將密封干燥并至28 d齡期的試件放置于單面凍融試驗(yàn)機(jī)的試件盒內(nèi)，盒內(nèi)底部有5 mm不吸水墊條，向試驗(yàn)盒內(nèi)加入試驗(yàn)溶液，試驗(yàn)溶液采用質(zhì)量比為97%蒸餾水和3%NaCl配制而成。使試件預(yù)吸水7 d，預(yù)吸水過程中保持液面高度為(10±1) mm，如圖1所示。凍融循環(huán)過程如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)盒內(nèi)的單面凍融試件

圖2 凍融循環(huán)過程

每4個(gè)循環(huán)進(jìn)行一次測(cè)定，分別測(cè)量試件的剝落物質(zhì)量；超聲波在耦合劑中的傳播時(shí)間、凍融試驗(yàn)前超聲波在試件和耦合劑中的總傳播時(shí)間和經(jīng)N次凍融循環(huán)后超聲波試件和耦合劑中的總傳播時(shí)間。本文研究N次凍融循環(huán)后試件表面鹽凍剝蝕情況及試件單位表面面積剝落物總質(zhì)量，評(píng)定試件抗鹽凍剝蝕性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 外觀破損

當(dāng)凍融循環(huán)出現(xiàn)下面3種情況時(shí)，可停止試驗(yàn)：1)達(dá)到28次凍融循環(huán)時(shí)；2)試件單位表面面積剝落物總質(zhì)量大于1 500 g/m2；3)試件的超聲波相對(duì)動(dòng)

彈模量降低到80%時(shí)[7]。為進(jìn)一步評(píng)定納米SiO2對(duì)橋梁混凝土性能的影響，本試驗(yàn)進(jìn)行了40次凍融循環(huán)，對(duì)試件表面破損情況及試件單位表面面積剝落物總質(zhì)量進(jìn)行分析，評(píng)定摻加納米SiO2橋梁混凝土抗鹽凍剝蝕性能。圖3、圖4分別是16個(gè)循環(huán)和40個(gè)循環(huán)后空白混凝土與納米混凝土的外觀破損對(duì)比。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)定N次凍融循環(huán)后，單個(gè)試件單位測(cè)試表面面積剝落物質(zhì)量按式(1)計(jì)算總質(zhì)量mn，結(jié)果列于表4。由于在12次凍融循環(huán)之前，試件破損及單位表面積剝落物質(zhì)量差別不大，此處沒有，不做分析。

(1)

圖3 16次循環(huán)后試件表面剝蝕對(duì)比

圖4 40次循環(huán)后試件表面剝蝕對(duì)比

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

單邊凍融試驗(yàn)經(jīng)過16次循環(huán)，外觀差異較大，編號(hào)H0、HF試件表面都已剝落，HS3外觀破損最小，40次凍融循環(huán)后編號(hào)H0、HF試件表面破損非常嚴(yán)重，納米混凝土試件表面還較完整，其中納米SiO2摻量2%，編號(hào)為HS3的試件表面破損狀況最輕。分析原因，這是因?yàn)槠胀ɑ炷林泄橇吓c水泥石界面孔隙較多，且水泥石內(nèi)部有大量微裂紋，形成的界面結(jié)構(gòu)不均勻，不致密[8]。普通水泥本身的顆粒粒徑通常在7～200 μm。水泥水化過程中生成的主要產(chǎn)物水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)，其尺寸在納米級(jí)范圍(平均粒徑10 nm)，約占整個(gè)水化產(chǎn)物的70%。而水化過程中形成的毛細(xì)孔，則由水化物之間的氣泡、裂縫組成，其尺寸在100 nm和幾個(gè)毫米之間。

水在材料中的遷移有3種方式：毛細(xì)作用、擴(kuò)散作用及在壓力梯度下的滲透[9]。在混凝土中，毛細(xì)作用是水滲透的主要方式[10]，為鹽凍破壞提供條件，因此，在相同條件下，空白混凝土鹽凍剝蝕比納米混凝土更為嚴(yán)重。

表4 N次凍融循環(huán)后單個(gè)試件單位測(cè)試表面面積剝落物總質(zhì)量 g/m2

經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)后，試件單位表面積剝落物總量對(duì)比如圖5所示。

通過表4和圖5分析，16次、20次、24次單面凍融循環(huán)后，空白混凝土、摻粉煤灰混凝土、不同摻量的納米混凝土單位表面面積剝落物總質(zhì)量均小于1 500 g/m2，都能滿足規(guī)范(GB/T50082-2009)要求，經(jīng)過28次凍融循環(huán)后空白混凝土、粉煤灰混凝土單位表面面積剝落物總質(zhì)量已經(jīng)大于1 500 g/m2，按規(guī)范要求已經(jīng)不能滿足使用要求。納米SiO2摻量為1.0%、2.0%、3.0%的納米混凝土兩項(xiàng)指標(biāo)仍滿足要求。

摻加納米材料后，由于納米材料對(duì)孔隙的填充和孔徑的細(xì)化作用，阻斷了混凝土內(nèi)部孔隙的連通，加之納米礦粉能與納米級(jí)水化產(chǎn)物大量鍵合，并以納米礦粉為晶核，在其顆粒表面形成水化硅酸鈣凝膠相，把松散的水化硅酸鈣凝膠變成納米礦粉為核心的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此，形成的界面結(jié)構(gòu)較均勻致密，減小了孔隙水結(jié)冰的凍脹作用，使混凝土耐久性得到較大的改善。

32次凍融循環(huán)后，只有納米SiO2摻量為1.0%、2.0%的納米混凝土單位表面面積剝落物總質(zhì)量滿足不大于1 500 g/m2的要求，40次凍融循環(huán)后雖然所有配比的混凝土都已超出指標(biāo)要求，但納米SiO2摻量為1.0%、2.0%的納米混凝土仍優(yōu)于不摻納米材料的混凝土。

4 結(jié) 論

1)以納米材料等量代替水泥制備納米混凝土，鹽凍試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過相同凍融循環(huán)后，抗表面剝蝕能力有較大的提高。

2)空白混凝土經(jīng)過28次凍融循環(huán)后，單位表面面積剝落物總質(zhì)量超過1 500 g/m2，已不能滿足規(guī)范要求，納米SiO2摻量為1.0%、2.0%的納米混凝土經(jīng)過32次凍融循環(huán)后單位表面面積剝落物總質(zhì)量小于1 500 g/m2，此項(xiàng)指標(biāo)凍融循環(huán)次數(shù)較空白混凝土提高8次，即提高30以上。

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A study of iced-scaling resistance to sulfates of bridge building concrete mixed nano SiO2

YU Wenyong，SUN Ling，DING Jianting，WANG Huiying，SHI Guimei

(Heilongjiang Instiute of Technology,Harbin150050,China)

During winters in cold regions,bridge building concrete will suffer iced scaling of sulfates caused by deicing stuffs using, which makes life of concrete structures shorter than normal. When nano-SiO2is mixed in bridge building concrete, as nano-powder and gel of nano-grade hydrated C-S-H bonds together,this turns hydrated calcium silicate gel to structure nets connected and cored with powders, which makes the concrete more density, so concrete mixed with nano-SiO2will be of higher on freezing resistance to normal concrete.

nano-SiO2;bridge building concrete;iced scaling resistance;performance to freezing resistance of sulfates

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.06.007

2017-07-14

哈爾濱市科技局科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目(2014RFXXJ115)；龍建路橋股份有限公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目(LJKY008-2016)

于文勇(1964-)，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：土木工程材料.

TU528.37

A

1671-4679(2017)06-0034-04

[責(zé)任編輯：郝麗英]