納米偏高嶺土對混凝土耐久性能的影響

彭沖

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510507)

水泥混凝土由于高強度、低成本等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于公路交通行業(yè)，成為交通領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的最主要原材料。隨著中國交通強國建設(shè)及“十四五”規(guī)劃的全面展開，水泥混凝土必將繼續(xù)為中國公路交通建設(shè)發(fā)揮至關(guān)重要的作用。然而傳統(tǒng)水泥混凝土已難以滿足現(xiàn)代化建設(shè)的需要，極易出現(xiàn)各種耐久性病害，成為水泥混凝土現(xiàn)代化發(fā)展的重要掣肘[1-4]。納米材料由于其較小的尺寸優(yōu)勢，能夠充分填充混凝土內(nèi)部的微小孔隙，從而改善混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，增強混凝土的力學(xué)性能及耐久性能[5-8]。

納米偏高嶺土(NMK)作為成本較低的納米材料，由工業(yè)礦物高嶺土煅燒制備而來，主要由四面體和八面體配位的二氧化硅和氧化鋁組成。與高嶺土相比，其比表面積更小，表面更加光滑，棱角及銳邊形狀也得到了改善，因此NMK不僅具有納米材料的尺寸優(yōu)勢，并且擁有獨特的火山灰效應(yīng)及晶核效應(yīng)。在混凝土內(nèi)部，納米偏高嶺土不僅自身能夠填充孔隙，而且能夠與Ca(OH)2晶體反應(yīng)生成C-S-H等水化產(chǎn)物，從而提高膠凝材料水化程度，增強混凝土密實程度，提升混凝土的強度及韌性[9-12]。Hodhod等[13]用5%～9%的納米偏高嶺土取代水泥研究其改性混凝土的抗壓強度，結(jié)果顯示隨著納米偏高嶺土摻量的增加，混凝土的抗壓強度先增大后減小，分析減小的原因可能是納米偏高嶺土的結(jié)團效應(yīng)導(dǎo)致了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變差，并認為納米偏高嶺土的最優(yōu)摻量為7%；Al-Salami等[14]也得出了相似的結(jié)論，但納米偏高嶺土最佳摻量為10%，混凝土的28 d抗壓強度和抗彎強度可分別提高48%、36.2%。張鈞良等[15-17]研究發(fā)現(xiàn)：納米偏高嶺土不僅能夠提升混凝土的力學(xué)強度，同時可以改善混凝土的抗裂性，提高混凝土的起裂韌度，延緩其起裂時間，增大其斷裂能；郭曉玉[18]、范穎芳[19]等研究發(fā)現(xiàn)：5%納米偏高嶺土摻量便可將水泥砂漿和水泥混凝土的氯離子擴散系數(shù)分別降低53.03%、18.87%，同時將混凝土的抗壓強度提高28.4%；Fan[20]、張金山[21]等研究發(fā)現(xiàn)：納米偏高嶺土同樣可以提高混凝土的抗凍性，NMK混凝土凍融后的質(zhì)量損失、彈性模量損失、強度損失均明顯小于基準組混凝土，100次凍融循環(huán)后，10%的NMK摻量即可將混凝土的質(zhì)量損失及強度損失分別降低33.7%、49.76%。

綜上所述，納米偏高嶺土在水泥混凝土中具有廣闊的應(yīng)用前景，憑借其尺寸效應(yīng)、火山灰效應(yīng)及晶核效應(yīng)，在混凝土內(nèi)部促進水泥水化反應(yīng)，提高水泥水化進程，生成更多穩(wěn)定的水化產(chǎn)物，提升混凝土的致密性，改善其孔結(jié)構(gòu)，因此可以有效提高混凝土的力學(xué)強度、斷裂性能、抗?jié)B性能及抗凍性能。然而納米偏高嶺土改性混凝土的干燥收縮較為嚴重[15]，但在水分較多地區(qū)可以得到有效緩解，然而這些地區(qū)混凝土往往受到較嚴重的腐蝕及碳化危害，因此納米偏高嶺土能否在南方地區(qū)得到良好的應(yīng)用，其對混凝土的抗腐蝕性能及碳化性能的影響亟待研究?；诖?，該文以腐蝕后的力學(xué)強度、斷裂韌度、斷裂能、碳化深度、碳化等級作為參數(shù)指標，針對不同摻量水平下納米偏高嶺土改性混凝土的抗腐蝕及抗碳化性能進行研究，并對改性混凝土的疲勞性能進行研究，最終得出納米偏高嶺土對混凝土耐久性的影響規(guī)律。研究結(jié)果將為納米偏高嶺土在水泥混凝土中的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗

1.1 原材料

試驗配置混凝土所用粗集料為花崗巖碎石，其粒徑為4.75～19 mm，分為兩檔，堆積密度最大時4.75～9.5 mm與9.5～19 mm粒徑的比例為4∶6。細集料采用河砂，其細度模數(shù)為2.69，含泥量為0.6%，表觀密度為2.62 g/cm3。為提高混凝土工作性，選用27%減水率及3.0%含氣量的聚羥酸高性能減水劑作為外加劑。同時選用P.O42.5號普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，其礦物組成及物理力學(xué)性能分別如表1、2所示。試驗所用納米偏高嶺土礦物組成及物理力學(xué)性能如表3、4所示。

表3 納米偏高嶺土礦物組成 %

表4 納米偏高嶺土物理力學(xué)性能

1.2 配合比設(shè)計

為研究納米偏高嶺土摻量對水泥混凝土腐蝕性能、碳化性能及疲勞性能等耐久性能的影響，試驗配置C40強度等級的混凝土作為基礎(chǔ)混凝土，其水膠比W/B=0.32?；诂F(xiàn)有研究成果，納米偏高嶺土改性混凝土的力學(xué)強度及抗?jié)B、抗凍等性能最優(yōu)時的摻量為5%～10%，因此此次試驗以5%、6%、7%、8%、9%、10%納米偏高嶺土等比例替代水泥進行研究，并設(shè)置無納米偏高嶺土混凝土作為對照組。具體設(shè)計的混凝土配合比如表5所示。

表5 混凝土配合比

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 腐蝕試驗

研究采用pH=4的模擬酸雨進行混凝土腐蝕試驗，模擬酸雨溶液通過98%濃硫酸和65%濃硝酸進行配制，并通過分析純硫酸氨控制當(dāng)量濃度比為1.37。試驗過程采用周期浸泡法，將混凝土浸泡于模擬酸雨中10 h然后取出自然晾干14 h為一個腐蝕循環(huán)。

試驗力學(xué)強度及斷裂性能測試分別成型100 mm×100 mm×100 mm立方體試件及100 mm×100 mm×400 mm小梁試件。試件成型后放置于恒溫恒濕箱中養(yǎng)護至28 d，根據(jù)廣州市近年來的年平均氣溫及相對濕度，控制養(yǎng)護溫度為25 ℃，相對濕度為80%。然后將試件進行10～80次的酸雨腐蝕循環(huán)，并按照相關(guān)規(guī)范測試其初始及每10次循環(huán)后的抗壓強度、抗彎拉強度、斷裂性能。試驗過程中取3組平行試驗測試結(jié)果的平均值作為試驗結(jié)果。利用式(1)～(3)計算混凝土的斷裂韌度及斷裂能。

(1)

(2)

式中：KIC為斷裂韌度(MPa·m1/2)；Fmax為試驗最大荷載(N)；S為試件的跨度(mm)；h為試件高度(mm)；t為試件寬度(mm)；a為預(yù)裂縫深度(mm)。

(3)

式中：Gf為斷裂能;W0為斷裂功(N·mm)；m=0.75M，M為28 d齡期時試件的總質(zhì)量；g為重力加速度，取為9.8 m/s2；Alig為韌帶面積(mm2)，Alig=(h-a0)b，h為試件高度；a0為預(yù)裂高度；b為試件寬度(mm)；δ0為跨中最大位移(mm)。

1.3.2 碳化試驗

碳化試驗成型100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件，80%相對濕度環(huán)境下養(yǎng)護28 d后按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的碳化試驗進行測試。試驗中每組設(shè)置3個平行試件。

通過酚酞法對混凝土碳化深度進行表征，并利用式(4)計算混凝土7、14及28 d的碳化深度值，參考GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標準》對混凝土抗碳化性能等級進行劃分。

(4)

1.3.3 疲勞試驗

疲勞試驗分別選擇50%、65%、80%抗彎拉強度作為3種不同應(yīng)力水平等級，試驗儀器采用MTS Landmark萬能試驗機，試驗過程中加載頻率為10 Hz，低高應(yīng)力比為0.1，加載方式為三分點正弦波加載，試驗以試件最終斷裂時的次數(shù)作為試件疲勞壽命的最終判定標準。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐蝕后力學(xué)強度

納米偏高嶺土對混凝土腐蝕循環(huán)后抗壓強度及抗彎拉強度的影響結(jié)果如圖1所示。

圖1 腐蝕循環(huán)后混凝土力學(xué)強度

由圖1可以看出：未經(jīng)受腐蝕循環(huán)時，納米偏高嶺土便可顯著提升混凝土的抗壓強度及抗彎拉強度，5%、6%、7%、8%、9%、10%摻量的NMK可分別提高混凝土抗壓強度14.6%、16.7%、18.9%、20.4%、21.5%、19.3%及抗彎拉強度10.1%、11.4%、11.8%、12.7%、13.5%、13.9%。這主要得益于納米偏高嶺土的水化提升作用，生成更多的水化產(chǎn)物，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，從而提高混凝土的力學(xué)性能。

酸雨腐蝕循環(huán)后，各組混凝土的力學(xué)性能均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這可能是由于腐蝕前期，模擬酸雨溶液中的SO42-浸入混凝土內(nèi)部，與未完全水化的Ca2+反應(yīng)生成鈣礬石及石膏等，進一步加強了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且此時SO42-對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強化作用強于H+等腐蝕離子對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞作用，因此在不同程度上提升了混凝土的力學(xué)強度。從圖1可以看出：基準組混凝土經(jīng)受30次腐蝕循環(huán)后其力學(xué)強度便開始下降，但摻入NMK后，混凝土的力學(xué)強度變化拐點能夠延緩10次左右的腐蝕循環(huán)，且在力學(xué)強度下降階段，NMK的摻入可以明顯減緩混凝土的強度損失速率，6種摻量下其改性混凝土80次腐蝕循環(huán)后抗壓強度損失率均較基準組減少15%左右，抗彎拉強度損失率分別降低9.5%、9.8%、12.9%、12.5%、11.8%、11.2%。究其原因在于：納米偏高嶺土憑借自身良好的填充作用改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，且其火山灰效應(yīng)促進水化反應(yīng)，提高膠凝材料水化程度，生成更多的水化產(chǎn)物，進一步增強混凝土結(jié)構(gòu)的密實性，二者綜合作用使得混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)得到細化，較大孔隙數(shù)量大大減少，微孔隙數(shù)量增多，阻斷了聯(lián)通孔隙，因此能夠有效延緩甚至阻止侵蝕離子進入混凝土內(nèi)部，從而顯著提高混凝土的抗腐蝕性能。

2.2 腐蝕后斷裂特征

圖2為經(jīng)歷80次腐蝕循環(huán)后混凝土的斷裂韌度及斷裂能損失率計算結(jié)果。

圖2 腐蝕循環(huán)后混凝土斷裂韌度及斷裂能損失率

由圖2可以看出：納米偏高嶺土的摻入不僅能夠提升混凝土經(jīng)受酸雨腐蝕后的力學(xué)強度，而且能夠顯著改善混凝土腐蝕后的斷裂性能。6種NMK摻量下其改性混凝土80次循環(huán)腐蝕后斷裂韌度損失率及斷裂能損失率均較基準組減少30%以上。隨著納米偏高嶺土替代量的增加，其改性混凝土腐蝕后的斷裂韌度損失率及斷裂能損失率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在7%、8%替代量水平下，其斷裂性能最優(yōu)。原因可能在于NMK的火山灰作用生成大量水化產(chǎn)物，使得混凝土內(nèi)部更加密實，不僅提高了混凝土的抗離子侵蝕能力，且能夠通過晶核作用將松散的水化產(chǎn)物固結(jié)在NMK顆粒周圍，并形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使得混凝土微觀結(jié)構(gòu)更加致密且均勻，從而提高混凝土的韌性，最終表現(xiàn)出混凝土斷裂性能的增強。當(dāng)NMK代替量較大時，NMK在混凝土中難以分散均勻，甚至出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象，也因此導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻性變差，從而使得摻量較大的NMK改性混凝土斷裂韌度及斷裂能降低。另一方面，摻量較大時，NMK對混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的改善作用變差，使得抵抗離子侵蝕能力相比7%、8%摻量時較差，其抗腐蝕性能隨之降低，表現(xiàn)為腐蝕循環(huán)后的混凝土斷裂韌度損失率及斷裂能損失率增大。

2.3 碳化性能

混凝土7、14、28 d的碳化深度及抗碳化等級結(jié)果如圖3所示。

圖3 NMK對混凝土碳化性能的影響

由圖3可知：6種摻量下NMK改性混凝土7 d時的碳化深度相較基準組分別減少14.8%、23.0%、36.1%、31.1%、24.6%、24.8%，14 d時碳化深度相較基準組分別減少9.3%、13.3%、22.7%、24%、20%、21.3%，28 d時碳化深度相較基準組分別減少21%、21.8%、32.3%、31.5%、28.2%、29%。由此可見：納米偏高嶺土對混凝土的抗碳化性能具有顯著的改善作用，6種摻量的NMK均可在28 d齡期時降低混凝土20%以上的碳化深度。其中7%、8%摻量下，NMK更是可以降低混凝土30%以上的碳化深度。雖然NMK摻量較高時其改性混凝土的碳化深度出現(xiàn)了小幅度的增大，但仍較基準組減少20%以上，且6種NMK改性混凝土的抗碳化等級也均比無NMK組混凝土提高1級。其原因主要在于NMK摻入后，通過自身尺寸效應(yīng)、火山灰效應(yīng)、晶核效應(yīng)等一系列的物理及化學(xué)填充作用，阻擋了CO2入侵的途徑，減少了CO2入侵的可能性；另一方面，NMK的火山灰作用消耗掉了更多的Ca2+，降低了CO2侵入混凝土內(nèi)部后造成碳化的可能性。在此綜合作用下，混凝土的碳化深度被大大減小，混凝土的抗碳化等級被有效提高。然而NMK摻量較大時，混凝土的收縮較大，導(dǎo)致出現(xiàn)一定的微小裂紋，在一定程度上給CO2提供了入侵的通道，最終導(dǎo)致?lián)搅枯^大時混凝土的碳化深度有少許增大。

2.4 疲勞性能

混凝土在0.50、0.65、0.80應(yīng)力水平下的疲勞壽命結(jié)果如圖4所示。

圖4 疲勞壽命結(jié)果

由圖4可知：NMK的摻入對混凝土的疲勞壽命也有明顯的提升作用，7%及8%摻量的NMK在0.5、0.65、0.8應(yīng)力水平下最高可提升混凝土1倍以上的疲勞壽命。其原因可能在于NMK的摻入對膠凝材料的水化程度及混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)方面都有了明顯的提高改善，不僅混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻穩(wěn)定，而且在NMK的優(yōu)勢特性作用下，混凝土內(nèi)部界面過渡區(qū)的力學(xué)強度也得到增強，界面過渡區(qū)韌性更高且更穩(wěn)定，同時NMK晶核增加了界面過渡區(qū)抵抗變形的能力，提升了界面過渡區(qū)抵抗微裂紋的能力，從而降低了微裂縫產(chǎn)生的可能，最終提高了混凝土的疲勞壽命。

3 結(jié)論

通過對不同替代量下納米偏高嶺土對混凝土酸雨腐蝕循環(huán)后的力學(xué)強度、斷裂特征及混凝土的碳化性能和疲勞性能進行研究，得出以下結(jié)論：

(1) 納米偏高嶺土能夠顯著降低混凝土經(jīng)受酸雨腐蝕后的力學(xué)強度損失率，6種摻量下其改性混凝土80次腐蝕循環(huán)后抗壓強度損失率均較基準組減少15%左右，抗彎拉強度損失率能夠降低約10%以上。

(2) 納米偏高嶺土對混凝土腐蝕循環(huán)后的斷裂性能有良好的改善作用，6種NMK摻量下其改性混凝土80次循環(huán)腐蝕后斷裂韌度損失率及斷裂能損失率均較基準組減少30%以上。

(3) 納米偏高嶺土對混凝土的碳化性能具有良好的提高效果，6種摻量的NMK均可在全齡期內(nèi)降低混凝土的碳化深度，提高混凝土1級的抗碳化等級，其中28 d齡期時可降低混凝土20%以上的碳化深度。

(4) NMK的摻入對混凝土的疲勞壽命也有明顯的提升作用，7%及8%摻量的NMK在0.5、0.65、0.8應(yīng)力水平下最高可提升混凝土1倍以上的疲勞壽命。