梁 博，馬芹永,2

(1. 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

面對(duì)自然環(huán)境不斷惡化以及人們對(duì)混凝土性能要求不斷提高，混凝土綠色化和高性能化受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程界的廣泛關(guān)注[1]?；炷辆G色化和高性能化是指混凝土使用的材料能夠減少能耗、節(jié)約不可再生資源和減少對(duì)環(huán)境的破壞，且本身具有優(yōu)良的工作性、力學(xué)性能、耐久性等優(yōu)點(diǎn)[2]。因此，混凝土的發(fā)展必將是綠色化和高性能化二者相結(jié)合的趨勢(shì)。

超細(xì)粉煤灰是一種亞微米、正球狀且表面多為光滑致密的玻璃微珠，由機(jī)械粉磨、電收塵氣流等工藝篩選出[3]，適量摻入混凝土可以有效提高混凝土拌合物的和易性，并具有較好的減水效應(yīng)[4]，其主要活性成分SiO2、Al2O3可以和水泥水化過(guò)程產(chǎn)生的Ca(OH)2進(jìn)行“二次反應(yīng)”生成水化硅酸凝膠和水化鋁酸鈣晶體，從而填充混凝土結(jié)構(gòu)中的孔隙，提高混凝土的強(qiáng)度[5-6]。用超細(xì)粉煤灰代替部分水泥，既有效降低水泥用量，提高混凝土強(qiáng)度又充分利用燃煤電廠副產(chǎn)物粉煤灰，達(dá)到了互利雙贏的效果。

納米SiO2是一種無(wú)定形物質(zhì)，粒徑一般在20nm左右[7]，因粒徑較小，表面有大量不飽和Si-O殘鍵和不同鍵合狀態(tài)的羥基，所以納米SiO2具有較高的反應(yīng)活性[8]。適量摻入混凝土中能夠與水泥水化過(guò)程產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，從而改善水泥漿體結(jié)構(gòu)以及與骨料粘結(jié)界面結(jié)構(gòu)，密實(shí)混凝土微結(jié)構(gòu)，提高混凝土的各種力學(xué)性能，尤其是早期力學(xué)性能[9-11]。但納米SiO2較好的火山灰活性和極大的表面積使水化時(shí)放熱速率及標(biāo)準(zhǔn)需水量急劇增加[12-13]。

為制備綠色高性能混凝土，本文在超細(xì)粉煤灰混凝土中摻入納米SiO2，通過(guò)改變納米SiO2的摻量，分析了納米SiO2摻量對(duì)超細(xì)粉煤灰混凝土抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度及破壞形態(tài)的影響，為工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥選用八公山牌，規(guī)格為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料選用淮河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；粗骨料選用粒徑5～10mm的級(jí)配碎石；水選用自來(lái)水。

超細(xì)粉煤灰選用深圳道特有限公司產(chǎn)品，顆粒形態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)球形，顏色為灰白色，球體密度為2.6g/cm3，細(xì)度≤10μm，含水率≤1 %，燒失量≤5；納米SiO2選用南京海泰納米材料有限公司產(chǎn)品，型號(hào)為HTSi-01，顏色為白色粉體，平均粒徑≤20nm，比表面積為600m2/g，堆積密度≥0.035g/cm3，干燥失重≥5.1%，SiO2元素含量≥99.1；高性能減水劑選用粉體聚羧酸，加入量為膠凝材料的0.16 %，減水率為15 %。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C40，配合比的設(shè)計(jì)依據(jù)JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》其試驗(yàn)配合比為水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.20∶2.30∶0.42，砂率為34 %。超細(xì)粉煤灰采用內(nèi)摻方法等量替代水泥0 %、15 %、20 %，納米SiO2采用內(nèi)摻方法等量替代水泥0 %、0.6 %、0.8 %、1.0 %、1.2 %、1.4 %。

試驗(yàn)的試件制作方法依據(jù)GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，其尺寸為150mm×150mm×150mm，每組6塊，3塊為抗壓試件，3塊為劈裂抗拉試件，制備好后養(yǎng)護(hù)24h后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。通過(guò)TYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度以及通過(guò)試件的抗壓和劈裂抗拉的破壞形態(tài)研究試件的力學(xué)性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 納米SiO2混凝土壓拉強(qiáng)度分析

納米SiO2混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 納米SiO2混凝土壓拉強(qiáng)度試驗(yàn) MPa

注：N代表納米SiO2；CXF代表超細(xì)粉煤灰，后面數(shù)字分別代表納米SiO2和超細(xì)粉煤灰替代水泥質(zhì)量的百分比。

為更加直觀的觀察納米SiO2對(duì)普通混凝土抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，通過(guò)式(1)和式(2)將表1中不同摻量的納米SiO2下混凝土抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度換算成普通混凝土抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度的相對(duì)百分率，用其相對(duì)百分率繪制圖1和圖2。

(1)

(2)

式(1)中：ηc為抗壓強(qiáng)度相對(duì)百分率；fc為不同摻量納米SiO2下混凝土抗壓強(qiáng)度；fc0為普通混凝土抗壓強(qiáng)度。

式(2)中：ηt為劈裂抗拉強(qiáng)度相對(duì)百分率；ft為不同摻量納米SiO2下混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度；ft0為普通混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。

圖1 納米SiO2摻量與抗壓強(qiáng)度相對(duì)百分率的關(guān)系

圖2 納米SiO2摻量與劈裂抗拉強(qiáng)度相對(duì)百分率的關(guān)系

由圖1和圖2可知，納米SiO2混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度伴隨納米SiO2加入量的增大呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)，當(dāng)納米SiO2加入量在0.8 %左右時(shí)，試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度增幅效果最好，此時(shí)混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度為64.88MPa和6.42MPa相對(duì)普通混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度提高了15.94 %和16.94 %； 當(dāng)納米SiO2加入量大于0.8 %時(shí)， 試件抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸減??； 當(dāng)納米SiO2加入量大于1.2 %時(shí)。 混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度均小于普通混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度。 原因在于適量的納米SiO2加入普通混凝土中可以和水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2生成C-S-H凝膠，其顆粒可以填充普通混凝土的微小孔隙和水化產(chǎn)物內(nèi)部的孔隙，從而使得普通混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，強(qiáng)度得到較好改善，但納米SiO2過(guò)量加入普通混凝土中不僅不會(huì)提高混凝土強(qiáng)度，反而會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度。因?yàn)楫?dāng)納米 SiO2摻入混凝土的量過(guò)高時(shí)，會(huì)使得納米 SiO2在混凝土中分布不均勻，而且納米 SiO2顆粒比表面積極大，與水拌合后其表層吸附了大量水，從而減少參與水化反應(yīng)的水量[14]。

2.2 納米SiO2超細(xì)粉煤灰混凝土壓拉強(qiáng)度分析

納米SiO2超細(xì)粉煤灰混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

將表2不同摻量的納米SiO2下超細(xì)粉煤灰混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度繪制圖3和圖4。

表2 納米SiO2超細(xì)粉煤灰混凝土壓拉強(qiáng)度試驗(yàn) MPa

圖3 納米SiO2摻量與超細(xì)粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 納米SiO2摻量與超細(xì)粉煤灰混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

由圖3和圖4可知，N-0-CXF-15試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度優(yōu)于N-0-CXF-20試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度；當(dāng)超細(xì)粉煤灰混凝土中納米SiO2加入量一定時(shí)，摻量15 %超細(xì)粉煤灰的混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度比摻量20 %超細(xì)粉煤灰的混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度好，當(dāng)納米SiO2加入量小于1.0 %時(shí)，伴隨納米SiO2加入量的增加，超細(xì)粉煤灰混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度也逐漸增大；當(dāng)納米SiO2摻量為1.0 %時(shí)，摻量15 %超細(xì)粉煤灰的混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度為64.64MPa和6.38MPa，摻量20 %超細(xì)粉煤灰的混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度為64.41MPa和6.31MPa，此時(shí)超細(xì)粉煤灰混凝土試件抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)效果最好；當(dāng)納米SiO2加入量大于1.0 %時(shí)，超細(xì)粉煤灰混凝土試件強(qiáng)度均急劇減小。原因在于普通混凝土中加入適量的超細(xì)粉煤灰和納米SiO2參與了水化反應(yīng)以及亞微米和納米顆粒起到的微集料物理填充效應(yīng)，同時(shí)可以利用各自的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)對(duì)方的不足，從而大大改善了普通混凝土強(qiáng)度。文獻(xiàn)[15]研究了納米SiO2對(duì)水泥粉煤灰體系水化硬化作用研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示，粉煤灰水泥基材料中加入適量直徑為20nm的納米SiO2能夠有效的提高其28 d抗壓強(qiáng)度。

2.3 混凝土試件抗壓和劈裂抗拉破壞形態(tài)分析

圖5為N-0-CXF-15和N-1.0-CXF-15混凝土試件抗壓達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)的破壞形態(tài)，由圖5可知，N-0-CXF-15和N-1.0-CXF-15混凝土試件抗壓破壞時(shí)的過(guò)程為：開始在靠近混凝土側(cè)邊出現(xiàn)豎向微裂縫并且伴有混凝土碎片剝落，達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)混凝土側(cè)邊裂縫逐漸變寬且出現(xiàn)較大混凝土碎片掉落，其破壞形態(tài)為脆性破壞。但N-0-CXF-15試件抗壓破壞過(guò)程中剝落的碎片明顯比N-1.0-CXF-15試件抗壓破壞過(guò)程中剝落的碎片多而且大，N-0-CXF-15試件達(dá)到峰值應(yīng)力破壞的裂縫同樣比N-1.0-CXF-15試件達(dá)到峰值應(yīng)力破壞的裂縫多。由此說(shuō)明復(fù)摻15%超細(xì)粉煤灰和1.0 %納米SiO2的混凝土抗壓性能好于單摻15 %超細(xì)粉煤灰的混凝土抗壓性能。

圖5 試件抗壓在峰值應(yīng)力時(shí)的破壞形態(tài)

圖6為N-0-CXF-15和N-1.0-CXF-15試件的劈裂抗拉破壞形態(tài)，由圖6可知，N-0-CXF-15和N-1.0-CXF-15試件在破壞時(shí)，呈現(xiàn)出一條明顯的貫穿主裂縫，而且這條貫穿裂縫擴(kuò)展很迅速，表現(xiàn)為明顯的脆性破壞，但N-0-CXF-15試件最終劈裂抗拉破壞時(shí)主裂縫的寬度明顯大于N-1.0-CXF-15試件的主裂縫的寬度，而且N-0-CXF-15試件破壞的主裂縫旁還有一條短裂縫。由此說(shuō)明，當(dāng)混凝土中復(fù)摻15%的超細(xì)粉煤灰和1.0 %的納米SiO2時(shí)，其劈裂抗拉性能優(yōu)于混凝土中單摻15 %的超細(xì)粉煤灰時(shí)的劈裂抗拉性能。

圖6 試件劈裂抗拉破壞形態(tài)

3 結(jié)論

1)普通混凝土試件中加入納米SiO2時(shí)，普通混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度伴隨納米SiO2加入量的增大，出現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)，當(dāng)納米SiO2加入量在0.8 %時(shí)，普通混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度增幅效果最佳。

2)當(dāng)納米SiO2在超細(xì)粉煤灰混凝土的摻量為1.0 %時(shí)，超細(xì)粉煤灰混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度增幅效果最好。摻量15 %超細(xì)粉煤灰的混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度分別為64.64MPa和6.38MPa相對(duì)普通混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度提高了21.80%和16.21%，摻量20%超細(xì)粉煤灰的混凝土試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度為64.41MPa和6.31MPa相對(duì)普通混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度提高了21.37 %和14.96 %。

3)摻入15 %超細(xì)粉煤灰混凝土中加入1.0 %的納米SiO2時(shí)，試件抗壓和劈裂抗拉破壞裂縫的寬度和數(shù)目明顯要小于普通混凝土試件裂縫的寬度和數(shù)目。

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