不同膠凝材料對納米凹凸棒混凝土耐久性能的影響

吉林省經濟管理干部學院,吉林 長春 130000

目前，混凝土憑借其易生產、成本低、強度高等特點成為當今使用最廣泛的材料，但其原材料生產將消耗大量的能源和資源，從而造成環境的污染[1]。為了減輕環境污染、降低資源消耗，利用硅粉、粉煤灰和礦粉等工業廢渣等膠凝材料替代一部分水泥成為當今發展趨勢。納米凹凸棒材料憑借其量子效應、表面效應和小尺寸效應在材料和物理等領域取得了長足的發展和應用，同時也受到了水泥基材料領域的重視，作為一種新型礦物添加料取代部分水泥，通過改善水泥基材料的微觀結構而調控其力學及耐久性能[2-4]。

目前，國內外針對納米凹凸棒在水泥基材料中的力學及耐久性能進行了大量研究，沈文忠等[5]通過對納米凹凸棒進行改性，研究了納米凹凸棒對水泥砂漿強度和工作性能的影響，研究表明，納米凹凸棒能改善水泥砂漿的保水性能，降低砂漿分層度，使砂漿的工作性能大大提高。劉競[6]研究了納米凹凸棒對引氣型混凝土觸變性能的影響。曲美燕等[7]研究了凹凸棒對水泥穩定碎石性能的影響。綜上所述，不同膠凝材料對納米凹凸棒混凝土耐久性能研究較少，有待進一步研究。

1 材料與方法

1.1 原材料

試驗水泥采用沈陽山水工源水泥有限公司生產的的普通硅酸鹽水泥PO·42.5R 級，粉煤灰采用沈陽憶利粉煤灰建材有限公司生產的II 級粉煤灰，硅粉采用鞍山鞍美國貿實業開發有限公司的微硅粉。納米凹凸棒粘土由常州鼎邦礦產品科技有限公司生產，粗骨料采用5～20 mm 連續級配碎石，表觀密度為2660 kg/m3，松散堆積密度為1420 kg/m3，細骨料選用天然中砂，細度模數2.5，表觀密度2637 kg/m3，堆積密度1583 kg/m3。外加劑為遼陽科隆公司生產的SPC-100 高效減水劑，褐黃色液體，減水率35%，含固量40%。拌合水采用自來水。

1.2 試件制備和養護

為研究不同膠凝體系對納米凹凸棒混凝土耐久性能的影響，試驗采用水膠比為0.40 的混凝土，砂率為40%，并依次記為A、B、C、D 和E。試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，每組3 個試件，試件成型24 h 拆模，然后放入養護箱內養護至測試齡期，測定不同膠凝材料對納米凹凸棒混凝土抗壓強度和氯離子滲透性能的影響。試件尺寸100 mm×100 mm×400 mm 的試塊，每組3 個，試件成型24 h 后拆模，養護條件同測試混凝土抗壓強度的養護條件，試件養護至28 d 后，將試件取出，放入干燥箱內烘干24 h，溫度設置在80 ℃，經烘干處理后的試件，除去相對兩個側面或一個面外，其余表面采用環氧樹脂進行密封處理，隨后將密封處理后的試件放入CO2在20±3%，溫度在20±3%℃，相對濕度在75±5%的碳化箱里進行碳化，分別測定7 d、14 d 和28 d 后的碳化深度。

試件制備按照我國現行標準《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTGE30-2005）相關規定，其混凝土配合比見表1 所示。

表1 試件編號和配合比Table 1 Test piece number and mix proportion

1.3 試驗方法

試件在不同齡期的抗壓強度按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）進行測定，采用結構試驗室的全自動壓力試驗機，產品型號WHY-300，測試精度為±1%，測試過程中加載速度控制在0.5 MPa/s。

混凝土碳化試驗、抗氯離子滲透性能試驗參照《普通混凝土長期性性能和耐久性試驗方法》（GBT50082-2009）標準進行。采用北京三思生產的混凝土多功能氯離子耐久性測定儀測定氯離子的滲透性能，試驗前將試件進行真空保水，真空飽水結束后，取出試件并清理干凈，按照規范將試件放入試驗裝置內并檢查密封性，檢查完畢后，將質量濃度為3.0%的NaCl溶液和摩爾濃度為0.3 mol/L的NaOH溶液分別注入試件兩側的實驗槽中進行電通量試驗。

采用河北宇建試驗儀器制造有限公司生產的碳化箱，按照規范設定CO2濃度和溫、濕度進行碳化試驗。將達到測試齡期的試件取出后，在壓力試驗機上按預定位置進行劈裂，然后選用濃度1%的酚酞試液對劈裂截面進行滴定，用刻度尺測定混凝土試件的碳化深度，每個側邊讀取10個數值，取平均值作為每個試件的碳化深度。

2 結果與討論

2.1 不同膠凝體系材料對納米凹凸棒混凝土抗壓強度的影響

對不同齡期，不同膠凝體系材料對納米凹凸棒混凝土試件的抗壓強度見表2所示，從表中可知，早齡期時，對比試件A的抗壓強度明顯高于單摻和雙摻礦物摻和料的納米凹凸棒混凝土，但隨著測試齡期的增加，摻有礦物的納米凹凸棒混凝土試件的抗壓強度增長率要比對比試件的要快。尤其是單摻粉煤灰試件B組，與7 d抗壓強度相比，其28 d抗壓強度增長了60.70%，到測試齡期90 d時，單摻納米凹凸棒混凝土試件B組和C組的抗壓強度與對比試件A組的抗壓強度相當，但雙摻試件D組和E組的抗壓強度相比對比試件A組略有增加，增加幅度不大。

表2 不同膠凝體系材料對納米凹凸棒混凝土試件的抗壓強度/MPaTable 2 The compressive strength of different cementitious materials on nano-attapulgite concrete specimens

2.2 不同膠凝體系材料對納米凹凸棒混凝土氯離子滲透性能的影響

對不同齡期，不同膠凝材料體系的納米凹凸棒混凝土進行了抗氯離子滲透性能的測定，其結果見圖1和圖2所示。根據圖1和圖2納米凹凸棒混凝土試件的電通量，結合混凝土抗氯離子滲透性評價標準可知，納米凹凸棒混凝土試件的滲透等級為低或極低。除了C組試件外，其單摻和復摻礦和料的納米凹凸棒混凝土試件的電通量數值明顯低于對比試件的電通量數值，其中復摻硅粉和礦粉的納米凹凸棒試件的混凝土抗氯離子效果最佳。隨著測試齡期的增加，納凹凸棒混凝土試件的電通量數值逐漸減小，但減小幅度逐漸降低。

圖2給出了單摻和復摻的納米凹凸棒混凝土試件不同齡期的電通量的對比圖，復合加入8%硅粉的納米凹凸棒混凝土在28 d、56 d和90 d的電通量相比于A組試件分別減少了56.84%、57.88%和52.53%，因此，在納米凹凸棒混凝土中摻入硅粉能有效抵抗的氯離子的滲透能力。

圖1 不同齡期納米凹凸棒混凝土試件電通量Fig.1 Electric flux of nano-attapulgite concrete specimens at different ages

圖2 不同膠凝材料混凝土試件的電通量Fig.2 Electric flux of concrete specimens with different cementitious materials

圖3 不同膠凝材料體系的納米凹凸棒混凝土抗碳化性能Fig.3 Carbonation resistance of nano-attapulgite concrete with different cementitious materials

2.3 不同膠凝體系材料對納米凹凸棒混凝土抗碳化性能的影響

不同膠凝體系材料的納米凹凸棒混凝土的碳化深度隨碳化齡期變化規律如圖3所示，由圖3可知，碳化初期，對比試件A組和單摻粉煤灰B組其碳化速率比單摻礦粉和雙摻大，后期碳化速度有所減緩。碳化7 d時，A組的碳化深度7.8 mm，不同膠凝體系材料的納米凹凸棒混凝土試件的碳化深度比A組稍大，碳化28 d時，基準試件的碳化深度14.26 mm，單摻粉煤灰試件的碳化深度為15.36 mm，單摻礦粉的碳化深度為12.60，雙摻試件的碳化深度分別為13.26 mm和13.19 mm。因此，不同體系膠凝材料的納米凹凸棒混凝土材料的滲透深度由大到小依次為單摻粉煤灰，雙摻硅粉和粉煤灰，雙摻礦粉和粉煤灰、單摻礦粉。這是由于碳化初期，不同體系的礦物摻和料水化反應初期比較慢，CO2容易進入混凝土毛細管道，使其與堿性水化發生化學反應，導致水泥材料中的pH值降低，伴隨著碳化的進行，水泥基材料中的水化產物與CO2發生反應生成CaCO3，填充在結構孔隙中，阻止了CO2進入結構內部，因此，碳化后期，混凝土碳化深度發展放緩。

3 結論

（1）不同膠凝材料對納米凹凸棒混凝土的抗壓強度有一定影響，與基準混凝土試件相比，早期抗壓強度不高，后期抗壓強度提高了6.0%；

（2）摻入礦物摻和料料能降低納米凹凸棒混凝土試件的電通量數值，其中復摻硅粉和礦粉的納米凹凸棒試件的混凝土抗氯離子效果最佳；

（3）與基準試件相比，單摻礦粉，雙摻粉煤灰和礦粉，雙摻粉煤灰和硅粉的納米凹凸棒混凝土抗碳化性能有一定程度的提高。