河套灌區(qū)渠道襯砌混凝土的納米顆粒改性研究

曹 金 保

(南昌理工學(xué)院， 南昌 330013)

0 引 言

目前，我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)的河套灌區(qū)是我國(guó)灌溉面積最大的灌區(qū)[1]。該區(qū)的渠道結(jié)構(gòu)主要采用模袋混凝土技術(shù)進(jìn)行渠道襯砌建設(shè)[2]。襯砌工程采用的模袋混凝土通過(guò)高壓泵將水泥砂漿灌入模袋，依靠袋內(nèi)吊筋袋、吊筋繩等的長(zhǎng)度來(lái)控制混凝土尺寸，砂漿硬化后形成一定強(qiáng)度的襯砌結(jié)構(gòu)以滿(mǎn)足渠道工程的需要，對(duì)于河套地區(qū)復(fù)雜的地理?xiàng)l件有很好的適應(yīng)性。穩(wěn)定性和耐久性是渠道襯砌混凝土的重要性能指標(biāo)，渠道防滲效果主要取決于混凝土材料的穩(wěn)定性及耐久性[3]。干縮裂縫的存在嚴(yán)重影響渠道襯砌的使用壽命，干縮變形一般出現(xiàn)在砂漿澆筑和養(yǎng)護(hù)后一段時(shí)間后，混凝土變形隨著水泥漿中水分蒸發(fā)逐漸發(fā)展，最終產(chǎn)生不可逆的內(nèi)部裂縫[4,5]。

研究表明在混凝土中摻入一定比例的粉煤灰可以顯著地改善減輕和防止模袋混凝土的干縮變形[6]。但粉煤灰會(huì)加大漿料的用水量，導(dǎo)致漿料的水泥用量大幅增加。一方面使混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低，另一方面也增加了材料的造價(jià)[7]。納米材料是一種新興材料，具有比表面積大、界面效應(yīng)和微觀效應(yīng)等特質(zhì)，作為一種改性添加劑，已經(jīng)在優(yōu)化混凝土性能方面被廣泛應(yīng)用，也有許多研究者致力于利用納米材料來(lái)提升混凝土干縮性能[8-11]。因此，納米材料在改善混凝土力學(xué)性能、防止干燥收縮，加長(zhǎng)材料使用壽命等方面具有廣闊的應(yīng)用前景和顯著的經(jīng)濟(jì)效益[12]。

本研究采用微量?jī)煞N納米顆粒制備了改性粉煤灰混凝土試樣，對(duì)其力學(xué)和干縮性能進(jìn)行分析，并分析了其作用機(jī)理。研究結(jié)果旨在為渠道襯砌混凝土的納米改性設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 試驗(yàn)材料與過(guò)程

1.1 原材料

試驗(yàn)采用礫石和連續(xù)級(jí)配河砂作為粗、細(xì)骨料，骨料的最大粒度25.6 mm，經(jīng)過(guò)破碎、篩分，細(xì)骨料粒徑為0～5 mm，粗骨料粒徑級(jí)別為5～25 mm。選用P.C42.5復(fù)合硅酸鹽水泥硅酸鹽水泥(C)作為凝膠材料，其28 d抗壓強(qiáng)度為47.3 MPa，抗彎強(qiáng)度7.9 MPa。粉煤灰取自河套地區(qū)的發(fā)電廠生產(chǎn)的超細(xì)粉煤灰(UFA)。納米材料選用江西省宜春市華宇納米材料有限公司生產(chǎn)的納米二氧化硅(NS)和納米碳化硅(NC)，納米顆粒的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 納米材料的性能指標(biāo)Tab.1 Properties of nano-materials

1.2 試驗(yàn)方法

采用18%超細(xì)粉煤灰(UFA)等質(zhì)量代替水泥，在此基礎(chǔ)上，再分別以1%、2%和3%的納米顆粒等量代替水泥配制納米改性粉煤灰混凝土。水工混凝土的強(qiáng)度和干縮性能主要取決于復(fù)合水泥砂漿的特性，首先根據(jù)對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)確定納米材料的最佳含量范圍，再根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行干縮性測(cè)試的混凝土不同配比試驗(yàn)。水泥砂漿的強(qiáng)度試驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO)》，采用40 mm×40 mm×160 mm尺寸的試件在溫度20±2 ℃、相對(duì)濕度為90%以上的恒溫箱中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行強(qiáng)度和干縮性能測(cè)試。

2 結(jié)果和討論

2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果確定納米材料的最佳含量范圍。再依據(jù)此范圍，以等量納米材料代替水泥制備納米改性混凝土(NS混凝土、NC混凝土和雙摻混凝土)。進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)的混凝土的配比如表2所示。

表2 強(qiáng)度試驗(yàn)的組別及其物料摻量 g

單摻一種納米材料(0-6組)的水泥砂漿的抗彎和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)NS和NC兩種納米材料對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度有正向影響，在一定程度上提高了砂漿的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。當(dāng)NS含量在0～3%范圍內(nèi)時(shí)，隨著含量增加，水泥砂漿的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度先增大后減小，最佳NS含量為2%；而水泥砂漿中NC含量從1%增加到3%時(shí)，其抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。可以預(yù)測(cè)當(dāng)NC含量持續(xù)增加，砂漿強(qiáng)度曲線也可能出現(xiàn)拐點(diǎn)。因此，可以認(rèn)為單摻雜NC的最佳含量為3%圖2給出了水泥砂漿試樣(7-15組)的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)雙摻納米材料的水泥砂漿在強(qiáng)度改善上優(yōu)于單一材料，其中抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度最高的為第13組。

圖1 組數(shù)0-6測(cè)試結(jié)果Fig.1 The results of groups 0-6

圖2 組數(shù)7-15測(cè)試結(jié)果Fig.2 The results group number 7-15

2.2 改性混凝土干縮試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行干縮性測(cè)試的混凝土的不同配比成分見(jiàn)表3，干縮試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。從圖3可以看出，摻納米顆粒的水泥砂漿的干縮率明顯高于無(wú)納米顆粒的對(duì)照組，表明納米顆粒在不同階段會(huì)加速水泥砂漿的干縮程度。隨著固化時(shí)間的增加，干縮率逐漸增大。在28 d內(nèi)，2%NC試樣的干縮速率最大達(dá)137.5×10-6；2%NS試樣干縮率最大為118.75×10-6。

從圖3與圖4還可以進(jìn)一步分析水泥砂漿干縮率與齡期的關(guān)系。養(yǎng)護(hù)早期的干縮率變化較快，特別是在前7 d干縮率的快速增長(zhǎng)；7～14 d內(nèi)增長(zhǎng)略有減緩，但仍有大幅度增加；而在14 d后，干縮率的增長(zhǎng)速度進(jìn)一步放緩；最后并在28 d后逐漸趨于穩(wěn)定。以含2%NC的水泥砂漿干縮率為例，干縮率在前14 d是106.25×10-6，占28 d內(nèi)干縮量的77.3%。由此可見(jiàn)，納米材料的加入會(huì)加速水泥砂漿的收縮，且對(duì)前期的干燥收縮的作用更加明顯。

如圖5所示，相對(duì)于無(wú)添加的普通組，單摻2%NS和2%NC的混凝土的干縮率在前期均有顯著增加，且第28 d的干縮率比普通組分別提高124.8%和85.8%。但雙摻混凝土的干縮率卻介于NS混凝土和NC混凝土之間，并在養(yǎng)護(hù)的第28 d后達(dá)到171.4×10-6，無(wú)明顯差別，說(shuō)明單摻或雙摻納米顆粒對(duì)粉煤灰混凝土的干縮性無(wú)顯著影響。

表3 干縮試驗(yàn)的試樣組別及其物料摻量 kg/m3

圖3 摻NS顆粒混凝土的干縮結(jié)果Fig.3 Drying shrinkage of concrete mixed with NS particles

圖4 摻NC混凝土的干縮結(jié)果Fig.4 Drying shrinkage of concrete mixed with NC particles

為了進(jìn)一步研究納米顆粒對(duì)混凝土干縮率的影響，分別研究了不同配比的混凝土14 d和28 d的干縮率，發(fā)現(xiàn)差異微小。據(jù)圖5所示，納米混凝土的平均干縮率為85.7%，略高于14 d的77.3%。

圖5 14 d和28 d的干燥收縮效果對(duì)比直方圖Fig 5. Comparison of drying shrinkage effect between 14 days and 28 days

3 納米顆粒的作用機(jī)理

納米顆粒具有較小粒徑和較大比表面積，不僅可以增加納米顆粒的表面結(jié)合能，還可以在摻雜到水泥基材料中表現(xiàn)出較高的化學(xué)活性。水泥發(fā)生水化過(guò)程需要從外界不斷吸取水分，但納米顆粒會(huì)通過(guò)毛細(xì)管吸收游離水，使得水泥水化過(guò)程吸水過(guò)程被阻礙[13]。從圖6可以看出納米顆粒分布在混凝土內(nèi)部的物料顆粒和孔隙中，由于其納米顆粒的表面效應(yīng)和微觀骨料填充效應(yīng)改善了水化物的密實(shí)度[14]。納米顆粒的表面反映一方面使得混凝土中非結(jié)晶水消耗，降低水泥的水化率；另一方面加速水泥水化，導(dǎo)致需要更多的非結(jié)晶水補(bǔ)給水化反應(yīng)。同時(shí)，納米顆粒的孔隙填充效應(yīng)在一定范圍內(nèi)降低混凝土毛細(xì)管負(fù)壓，減小混凝土表面與內(nèi)部的溫度和相對(duì)濕度差異，由此降低干燥收縮的發(fā)生[15]。

圖6 納米改性混凝土的SEM圖Fig.6 SEM of nano-modified concrete samples

此外，不同納米顆粒對(duì)混凝土干燥收縮的影響也存在一定差異。從圖5可以看出，NS混凝土的14 d和28 d干縮率略高于NC混凝土的干縮率。造成這種差異的主要原因是NS平均粒徑較小，比表面積較大，可以發(fā)揮更大的作用，加速水泥砂漿整體干燥收縮的減小[16]。對(duì)于河套灌區(qū)的渠道襯砌而言，選擇性能優(yōu)良的納米材料，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性改善有至關(guān)重要的作用。

4 結(jié) 論

(1) 在普通水泥砂漿加入納米顆粒后，渠道襯砌混凝土試樣的抗彎和抗壓強(qiáng)度明顯提高。單摻NS最優(yōu)含量為2%，單摻雜NC的最優(yōu)含量為3%，雙摻的最佳含量為1% NS和3% NC。

(2)納米顆粒改性的水泥砂漿干燥收縮速率比普通水泥砂漿明顯增加，納米顆粒會(huì)讓水泥砂漿的早期干縮率更快。與普通水泥砂漿相比，單摻2% NS和單摻2% NC的水泥砂漿干燥收縮率分別提高了90%和120%；與普通混凝土相比，納米混凝土的干縮率在早期增加明顯；且單摻與雙摻對(duì)干縮率的影響差異不大。

(3)納米顆粒對(duì)渠道襯砌混凝土干縮率的影響，主要是由于表面效應(yīng)和微觀骨料填充效應(yīng)。納米顆?？梢越档退嗟乃?，改善硬化水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)。此外，NS平均粒徑較小，表面能較大，使得NS混凝土干縮率略高于NC混凝土。

(4)渠道襯砌混凝土經(jīng)過(guò)納米改性后，力學(xué)性能和干燥收縮性能明顯增加。因此，納米混凝土材料對(duì)于延長(zhǎng)河套灌區(qū)的渠道使用壽命有廣闊的應(yīng)用前景。