納米S i O2對(duì)抗凍融混凝土性能的影響

王松亮，孫琳，劉先國(guó)，婁躍恒

（徐州中聯(lián)混凝土有限公司，江蘇 徐州 221100）

0 前言

近年來(lái)，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的提出，西部地區(qū)及海洋領(lǐng)域的建設(shè)與發(fā)展越來(lái)越受到國(guó)家的重視，一大批重大基礎(chǔ)工程正在建設(shè)或規(guī)劃中[1]。這些區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，晝夜溫度變化巨大，尤其海水中侵蝕性離子種類(lèi)多且含量高；上述因素都對(duì)混凝土的耐久性能提出了更高的要求。但受到本身固有屬性的影響，混凝土容易在外界荷載與環(huán)境的影響下出現(xiàn)開(kāi)裂；而這些被認(rèn)為對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)承載性無(wú)害的裂縫將成為外界侵蝕性介質(zhì)的進(jìn)入通道，從而對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生負(fù)面影響[2,3]。

在低溫寒冷環(huán)境下，混凝土中的水分發(fā)生液—固相變而產(chǎn)生體積膨脹，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)被破壞[1,4]。引氣劑可以在混凝土拌合物中引入大量微小、封閉而穩(wěn)定的氣泡，緩解水分液固—相變產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，提高混凝土抗凍性能[4]。常用的引氣劑種類(lèi)有松香樹(shù)脂類(lèi)鈉鹽化物、烷基苯磺酸鹽類(lèi)、脂肪醇類(lèi)、木質(zhì)素磺酸鹽類(lèi)、天然皂類(lèi)等。其中天然皂類(lèi)引氣劑引氣效果良好，但受資源制約，成本過(guò)高；松香樹(shù)脂類(lèi)鈉鹽化物因反應(yīng)程度不同，質(zhì)量差異較大；烷基苯磺酸鹽類(lèi)、脂肪醇類(lèi)、木質(zhì)素磺酸鹽類(lèi)引氣劑引入的氣泡較大，穩(wěn)定性較差[5]。這些不利因素制約了引氣劑的使用。

納米 SiO2粉體是混凝土研究中常用的納米改性劑，具有良好的火山灰活性、晶核作用和微集料效應(yīng)，能有效改善混凝土性能[6]。本文擬通過(guò)在抗凍融混凝土中摻入納米 SiO2，研究其對(duì)混凝土性能的影響。

1 原材料

（1）水泥：淮海中聯(lián) P·O42.5 水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量比 28.2%，28d 抗壓強(qiáng)度 54.1MPa。

（2）粉煤灰：國(guó)華Ⅰ級(jí)灰，45μm 方孔篩篩余6.8%，28d 活性指數(shù) 78%。

（3）礦粉：徐鋼 S95 級(jí)礦粉，流動(dòng)度比 96%，28d活性指數(shù) 99%。

（4）河砂：Ⅱ 區(qū)中砂，含泥量 1.5%，細(xì)度模數(shù)2.6。

（5）碎石：公稱(chēng)粒徑 5～31.5mm 碎石，含泥量0.5%。

（6）水：市政自來(lái)水。

（7）減水劑：蘇博特 PCA-1 聚羧酸減水劑，減水率 19.0%。

（8）引氣劑：十二烷基硫酸鈉，白色粉末狀固體。

（9）納米 SiO2：上海德固賽，粒徑范圍 10～50nm，二氧化硅純度 99%。

2 試驗(yàn)方法

在抗凍融混凝土內(nèi)摻入納米 SiO2以改善混凝土性能。調(diào)整納米 SiO2摻量，檢測(cè)混凝土性能變化。試驗(yàn)以強(qiáng)度等級(jí) C35、抗凍等級(jí) F200 的抗凍融混凝土配合比為基準(zhǔn)配合比，具體配合比見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用 C 35 F 200 基準(zhǔn)配合比.g/m3

混凝土性能檢測(cè)參照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 混凝土工作性能檢測(cè)結(jié)果

在基準(zhǔn)配合比中摻入納米 SiO2，調(diào)整納米 SiO2的摻量，配制混凝土并檢測(cè)混凝土拌合物工作性能，檢測(cè)結(jié)果如表2 所示，其中0 號(hào)試驗(yàn)未摻加引氣劑。

表2 混凝土拌合物工作性能檢測(cè)結(jié)果

圖1 混凝土拌合物工作性能檢測(cè)結(jié)果

由表2 和圖1 可知，摻入引氣劑后混凝土拌合物的工作性能有所提高，這是由于引氣劑引入的大量微小氣泡能起到類(lèi)似于滾珠的作用，可提高混凝土拌合物的流動(dòng)性[4]；引氣劑與納米 SiO2同時(shí)摻入，混凝土拌合物的含氣量基本無(wú)變化，而坍落度與擴(kuò)展度大幅降低。納米SiO2可以細(xì)化漿體中氣泡的孔徑，使氣泡數(shù)量增加；但與水泥等膠凝材料相比，納米 SiO2具有更大的比表面積，對(duì)水分有較強(qiáng)的吸附作用，使得混凝土拌合物中自由水減少，流動(dòng)性降低[2]。

3.2 混凝土力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

采用 3.1 中混凝土拌合物制作抗壓強(qiáng)度試塊，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后檢測(cè)混凝土的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

結(jié)果表明：摻入引氣劑后，混凝土力學(xué)性能因含氣量上升而有所下降；摻入納米 SiO2后，混凝土力學(xué)性能隨其摻量的增加而提高。納米 SiO2顆粒微小，具有很高的火山灰活性，可與水泥水化產(chǎn)生的 Ca(OH)2反應(yīng)生成 C-S-H 凝膠，從而提高混凝土強(qiáng)度[2,5]；同時(shí)納米SiO2作為改性劑，可以細(xì)化引氣劑引入氣泡的孔徑，減少有害孔數(shù)量，并使混凝土中孔隙分布更均勻，有利于混凝土強(qiáng)度提高。

表3 硬化混凝土力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

圖2 硬化混凝土力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

3.3 混凝土抗凍性能檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)試驗(yàn)混凝土的抗凍性能，檢測(cè)結(jié)果如表4 和圖3 所示。

表4 混凝土質(zhì)量損失率檢測(cè)結(jié)果 %

由結(jié)果可知，摻入引氣劑后，混凝土的質(zhì)量損失率大幅降低；同時(shí)摻入納米 SiO2，混凝土的質(zhì)量損失率有所下降，且下降幅度隨摻量的提高而增加。引氣劑引入的大量微小氣泡為混凝土內(nèi)水的液固相變引起的體積膨脹提供了緩沖空間[1,4]；納米 SiO2的摻入使氣泡的孔徑細(xì)化，在混凝土中的分布更加均勻，對(duì)混凝土內(nèi)水的相變引起的體積膨脹的緩解作用進(jìn)一步提高，從而使得混凝土的抗凍性能有所提高。

圖3 混凝土質(zhì)量損失率檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

（1）與膠凝材料相比，納米 SiO2具有更大的比表面積，摻入混凝土中將吸附大量的水，從而導(dǎo)致混凝土的工作性能大幅下降。

（2）納米 SiO2可以細(xì)化引氣劑引入氣泡的孔徑，使其在混凝土中分布更加均勻，混凝土的含氣量基本無(wú)變化，而抗壓強(qiáng)度有所提高；同時(shí)可以提高對(duì)混凝土內(nèi)水的相變引起的體積膨脹的緩解作用，從而提高混凝土抗凍性能。