納米材料對超高性能混凝土強度的影響

李起典 江森利 顏成華 楊娛樂

（連云港市天豪基礎(chǔ)工程有限公司， 江蘇 連云港 222000）

0 前言

分析和研究了超高性能混凝土材料動態(tài)力學(xué)特性受納米材料含量和種類的影響。超高性能混凝土不但具有高韌性和超高的強度，而且耐久性能也比較高，無論在石油和土木以及核電，還是海洋和市政等相關(guān)的設(shè)施中，應(yīng)用前景都非常廣闊，許多學(xué)者也在對期進(jìn)行分析和研究[1]。二十世紀(jì) 70年代初，在巖石和混凝土材料等動態(tài)力性能上，已經(jīng)開始應(yīng)用試驗分離子Hopkinson壓桿的裝置。從當(dāng)前來看，國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用分離子Hopkinson壓桿。

1 超高性能混凝土實驗

1.1 原材料和性能

普通硅酸鹽水泥P·O52.5級；10～20目石英砂，0.9～2毫米的粒徑范圍；灰白色硅灰粉末，88納米的平均粒徑，比表面積為每克18.5×104平方厘米；325目密度為每平方厘米2.626克；白色的納米CaCO3粉末,60納米的平均料徑；I級灰色粉末的粉煤灰，白色納米SiO2絮狀物，平均10納米粒徑；FOX-8HP型聚羧減水劑為高效減水劑，粉末為粉紅色，摻量適宜1.5%，減水率＞30%。

1.2 實驗制備和養(yǎng)護(hù)以及實驗方法

1 試樣基準(zhǔn)的配合比

水泥1.0、石英粉0.2、研英砂1.1、粉煤灰0.1、硅灰0.2、水膠比0.16

和減水劑1.5%。

2 攪拌成型

將稱量好的硅灰和石英砂接照配合比混合以后，倒進(jìn)攪拌水泥膠砂的鍋內(nèi)，

攪拌5分鐘，再將粉煤灰和水泥以及納米和石英粉材料加入，攪拌5分鐘；將溶有一半用水量的減水劑加入其中，進(jìn)行 3分鐘攪拌；再將另一半的用水量倒進(jìn)進(jìn)行攪拌6分鐘；澆模成型，在40×40×160毫米的三聯(lián)聯(lián)模中，澆注拌合物，將其在振動臺上振動成型，振動的頻率通常為50赫茲[2]。

3 養(yǎng)護(hù)

成型以后，把試件移到（20±2）℃養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行24小時的養(yǎng)護(hù)再拆模，

各個試件都要分別進(jìn)行，（20±2）℃～齡期為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)48小時養(yǎng)護(hù)在90℃熱水中，取出～規(guī)定齡期為熱水養(yǎng)護(hù)。

4 實驗

有效運用跳桌法，根據(jù)《水泥膠砂流動度測定方法》GB2419-81來對拌合物的流動度進(jìn)行測定；根據(jù)《水泥膠砂強度度檢驗方法》GB177-85來將試件抗折和抗壓的強度進(jìn)行測定[3]。

1.3 結(jié)果和分析

（一）納米CaCO3影響UHPC的強度

實驗A組將不同摻量NC影響的UHPC的強度進(jìn)行了分析和研究，實驗結(jié)果以及配合比，見表1所求。

表1 納米CaCO3影響UHPC的強度

從表中可以看出，將納米CaCO3摻入以后，下降了UHPC的流動性，但是，也提升了抗折和抗壓的強度，與摻量4%效果進(jìn)行比較，摻量3%更好一點，與28天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強度相比較，7天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強度增長的幅度要比較大一些，試件熱水養(yǎng)護(hù)以后，抗折和抗壓的強度，幅度都比試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)高摻入NC量為3%、水膠0.16，熱水養(yǎng)護(hù)48小時以后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)～28小時抗壓強度達(dá)到163.8MPa，抗折達(dá)到32.2，具有很顯著的效果，原因就是水泥結(jié)構(gòu)中加入NC，使C3S水化得到促進(jìn)，將結(jié)構(gòu)形式改變了，水泥石體系中，料粒子的粘合提升了，混凝土微觀的結(jié)構(gòu)改善了，從而使UHPC的強度得以有效地提升。

（二）納米SiO2影響UHPC的強度

納米 SiO2屬于非晶體物質(zhì)，在水泥材料中，與其他的礦物粉復(fù)合進(jìn)行應(yīng)用，可以將網(wǎng)絡(luò)交織狀骨架的結(jié)構(gòu)形成，由致密的產(chǎn)物在骨架結(jié)構(gòu)中間將二級界顯微結(jié)構(gòu)填充，致使水泥水化得以促進(jìn)，從而使早期水泥砂漿強度得以提升。納米SiO2既能夠提升均勻性和致密性，又能夠提升早期水泥漿體的強度，所以，將納米SiO2摻入以后，不但能夠?qū)⒕鶆蛐院椭旅苄愿纳疲遥€能夠?qū)?UHPC微觀結(jié)構(gòu)改善，致使具有更好地填充顆粒效果和更密實的微觀結(jié)構(gòu)，從而使混凝土強度得以提升的目的得以實現(xiàn)。摻入不同量的NS，影響UHPC的強度也不同[4]。

（三）分析摻入納米材料UHPC的微觀形貌

運用掃描電子顯微鏡來顯微結(jié)構(gòu)觀察超高性能混凝土，運用掃描電鏡JSM-6700LV和掃描電鏡FEIQuanta200FEG，以高真空模式對48小時熱水養(yǎng)護(hù)以后～7天納米材料摻入的UHPC樣品微觀的形貌。

將納米CaCO3摻入熱水養(yǎng)護(hù)以后，水泥石中C-S-H凝膠是主要的生成水化產(chǎn)物大量很小顆料狀的NC呈現(xiàn)在表面上，這些NC顆粒通常在斷裂面有一半露出，水泥漿體中嵌固了另一半，NC的表面效應(yīng)與微集料比較明顯，但是，漿體致密不怎么均勻，大孔隙很難看到，并且能夠?qū)⑵瑺畹乃a(chǎn)物Ca(OH)2生成，但是比較少，也就是說加入NC，促進(jìn)了水泥的水化，水泥水化反應(yīng)的速度加快了，此外，熱水養(yǎng)護(hù)的條件下，因為漿體水膠過低，所需要的大量的結(jié)晶水鈣礬石沒有形成。

從實驗可以看出，納米材料摻入以后，UHPC抗折強度＞20MPa，同時也加大了折壓比，混凝土既明顯提升了抗折強度，又有效地改善了界面，也提升了斷裂韌性，從而增韌了納米材料的效果[5]。

（四）養(yǎng)護(hù)制度影響UHPC

拌合和振搗混凝土密實成型以后，需要養(yǎng)護(hù)試件，為了能夠順利地水化膠凝材料，致使早期和后期都能夠有較高的強度產(chǎn)生，必須要將合理養(yǎng)護(hù)的制度選擇。通過研究了解到，針對于 UHPC養(yǎng)護(hù)條件具有很大的影響，UHPC組分中無論是粉煤灰和硅灰，還是納米 SiO2等相關(guān)的火山灰集料，尤其石英粉活性的發(fā)揮，都需要在一定溫度的作用條件下，石英粉在常溫下很難充分發(fā)揮，只是填充的作用，因此，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，UHPC強度要比其熱水養(yǎng)護(hù)條件下強度要低[6]。

2 總結(jié)

綜上所述，在水泥基復(fù)合材料中，均勻地將納米顆粒分散是很難做到的，摻入基體中以后，容易結(jié)團(tuán)，致使提升UHPC強度在一定的程度上受到了限制，所以，將分散納米粒子怎樣進(jìn)行改善，均勻地分散UHPC，能夠很大程度地將混凝土強度有效地提升，必須要進(jìn)一步地分析和研究。