納米高嶺土顆粒改性水泥基復合材料的性能

摘要：研究了納米高嶺土顆粒對不同齡期水泥基材料微觀結構（微孔結構、微觀結構）及物理力學性能（工作性、抗彎強度、抗壓強度、氯離子滲透性）的影響。結果表明，納米高嶺土顆粒的填充效應及其對水泥水化的促進作用改善了水泥基材料的微觀孔結構，限制了氯離子在水泥基材料中的滲透擴散。當高嶺土為水泥質量的1%時，水泥漿1、3、7、90 d抗彎強度分別提高30.41%、39.04%、36.27%和 38.32%；當高嶺土為水泥質量的5%時，水泥砂漿氯離子擴散系數降低53.03%；混凝土氯離子擴散系數隨高嶺土摻量增加呈指數遞減；當高嶺土為水泥質量的5%時，氯離子擴散系數降低18.87%；抗壓強度分別提高28.4%；改性混凝土28 d抗壓強度與混凝土氯離子擴散系數呈線性增加關系。

關鍵詞：納米高嶺土；水泥基材料；工作性；強度；滲透性；SEM；氯離子；RCM

中圖分類號：TU52

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）01013008

嚴重暴雪和特大暴雪將造成交通路網陷于癱瘓狀態，為及時通車，傳統的氯鹽型融雪劑成為融雪的首選材料。然而隨著大雪的消融，諸多公路基礎設施遭到損壞，融雪劑對公路橋梁等基礎設施耐久性的長期負面影響已經引起土木工程界的關注。盡管氯鹽類融雪劑對混凝土結構和環境帶來巨大的損壞，但從融雪效能、速度、方便快捷到成本效益的比較，目前在世界范圍內仍難以取代。

據估算，美國每年因氯鹽腐蝕破壞環境的成本占GNP的4%（相當于美國國防開支）；氯鹽融雪劑造成哥本哈根地區102座橋中50%出現嚴重的鋼筋銹蝕；法國每年冬季消耗150萬 t氯鹽類融雪劑，耗資4億法郎。中國化冰鹽使用時間較其他國家短，混凝土結構損壞尚未完全顯現；但化冰鹽造成北京西直門老立交橋在使用20 a便被迫拆除的工程實例足以給我們警示。據報導，近年來中國冬季融雪劑的用量逐年增加。2001年北京市使用融雪劑1 000 t左右，2002年增至7 000 t；2008年中國南方特大雪災，僅京珠高速公路灑落近千噸融雪劑；2009年2月北京3場降雪便消耗融雪劑9 000多t；2010年中國遭遇大面積大雪和歷史上罕見低溫天氣，僅1月份北京首場降雪便消耗融雪劑3萬t；2011年中國再次大面積遭遇大雪，融雪劑不得不廣泛使用。近年來，不少發達國家致力于開發新型環保型融雪材料，但終因價格和適用性等原因無法推廣。因此，如何通過提高混凝土材料的抗氯離子滲透特性以從根本上減小或避免其對土木工程的損壞十分重要。

范穎芳，等：納米高嶺土顆粒改性水泥基復合材料的性能

中國正處于經濟高速發展時期，諸多耗資巨大的重要構筑物，如跨海大橋、海底隧道、海上采油平臺、海港、近海與海岸工程等已經或正在興建，其中混凝土結構始終是普遍采用的結構形式。然而，海洋環境、融雪環境中水分和氯離子滲透至混凝土內部將直接導致鋼筋銹蝕、混凝土開裂，進一步加速鋼筋銹蝕，形成惡性循環致使混凝土結構劣化，甚至引發災難性事故的工程案例不勝枚舉。自20世紀50 年代至今，氯離子在普通混凝土中滲透作用成為普遍關注的課題，學者們在氯離子擴散模型、氯離子滲透預測、裂縫對氯離子滲透影響、荷載對氯離子滲透作用影響等方面開展了廣泛的試驗研究、理論分析和數值模擬，取得了豐碩的成果。然而，如何從材料層次出發，通過提高材料抗氯離子滲透特性以從根本上改善混凝土結構耐氯鹽侵蝕性能的研究尚有待開展。

氯離子在水泥基材料中的擴散性能受水灰比、水泥類型、混凝土配合比、養護條件等諸多因素有關。在實際工程中，在混凝土中摻加不同種類的塑化劑降低混凝土氯離子滲透性，造成材料強度和延性降低。隨著納米技術在土木工程中的應用，學者們對混凝土中摻加納米SiO2、納米TiO2、納米Fe2O3、Al2O3和高嶺土顆粒來改善混凝土性能，研究了不同納米顆粒對水泥基材料增韌機理、物理力學性能等[14]方面的影響。He等[5]研究了蒙脫粘土、SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3等不同納米顆粒對水泥砂漿抗氯離子滲透性的影響，研究表明當納米顆粒摻量為水泥質量1%時，蒙脫粘土改性水泥砂漿28 d氯離子擴散系數最小。另外，Tregger等[6]和Morsy等[7]研究表明納米高嶺土的雙層結構能有效阻礙氯離子的滲透。因此，鑒于粘土材料低廉的價格，采用納米高嶺土改善水泥基材料的氯離子滲透性必將有十分廣闊的應用前景。然而，目前有關納米高嶺土改性水泥基材料氯離子滲透性、納米高嶺土最佳摻量等方面的定量研究成果尚較缺乏。

為了研究高抗氯離子滲透性水泥混凝土，將納米高嶺土摻入水泥基材料，研究納米高嶺土顆粒對水泥基材料氯離子滲透性的改善效果，基于前期有關納米高嶺土在水泥基材料中分散性研究成果[8]，確定了提高水泥砂漿、水泥混凝土氯離子滲透性的高嶺土最佳摻量，探討了高嶺土改性水泥基材料（包括水泥凈漿、水泥砂漿和水泥混凝土）工作性、強度和氯離子滲透性；從微觀角度揭示高齡土顆粒對水泥基材料性能的改性機理。

1試驗部分

1.1主要原料

試驗用水泥為小野田PO42.5R普通硅酸鹽水泥，其化學成分詳見表1。所用納米顆粒材料為納米高嶺土，是納米高嶺土原礦用破碎機進行粗、中碎以后，采用沖擊磨進行一段超細粉碎，然后經煅燒精制而成，其理論化學組成為Al2Si2O5（OH）4 [9]。利用掃描電鏡和XRD觀測，可以得到納米高嶺土微觀形貌（如圖1所示），其化學成分和主要技術參數分別列于表1和表2。

1.2試樣制備

試驗中試件水膠比為0.5，納米高嶺土摻量為水泥質量的1%、3%、5%、7%和9%，試驗中采用ISO標準；制作水泥砂漿試件時，水泥與砂質量比為1∶3；水泥混凝土配合比為350∶175∶619∶1 256。為了使高嶺土在水泥基材料中均勻分散，澆筑水泥漿和砂漿試件時，僅將高嶺土分散于水溶液，并在攪拌器中快速攪拌5 min；采用人工拌制混凝土制備混凝土試件，首先將高嶺土分散于水溶液，并在攪拌器中快速攪拌5 min；而后利用超聲分散方法分散20 min。用于水泥漿、水泥砂漿、水泥混凝土抗壓強度試驗分別采用棱柱體試模（40 mm×40 mm×160 mm）和立方體試模（150 mm×150 mm×150 mm），滲透性試驗混凝土試件采用Φ100 mm×50 mm的圓柱體試模。混凝土試件澆筑成型后，24 h拆模，在標準養護條件下（溫度20±3℃，相對濕度 95%）養護至規定齡期進行力學性能和氯離子滲透性實驗研究。