納米顆粒粉煤灰綠色混凝土的耐久性試驗研究

黨 瑩

（漢江師范學院藝術學院，湖北十堰442000）

由于混凝土材料在建筑工程領域中廣泛使用，因此不少研究者通過試配不同的配合比來配制高性能混凝土［1-2］。李帥雄等［3］采用正交試驗方法，考察水膠比、粉煤灰摻量、沙漠砂替代率3個因素對塔克拉瑪干沙漠砂混凝土性能的影響規律。周永等［4］采用礦渣粉和微硅粉兩種高活性礦物摻合料及高效減水劑等“三摻”技術，配制出工作性和抗裂性好、力學性能優及耐久性強的高強混凝土。馬保國等［5］討論了高性能混凝土配制的主要技術途徑和配比參數的合理選擇，詳細介紹了多種典型的高性能混凝土配合比設計方法。陳波等［6］研究了4種混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力和抗氯離子侵蝕能力。萬超等［7］兼顧強度和耐久性兩項指標，采用公式化方法直接對高性能混凝土耐久性進行設計。楊綠峰等［8］建立了混凝土的氯離子擴散系數多因素模型，并按照預定的混凝土強度和耐久性要求開展配合比分析和設計。李化建等［9］研究礦物摻和料種類（粉煤灰等）及摻量等配合比參數對混凝土氯離子滲透性能影響規律。張惠萍［10］研究了混凝土材料耐久性影響的相關因素，建議橋梁結構設計與施工應注重混凝土的耐久性。趙遷喬等［11］提出了國內冰凍海域橋梁建設中首次采用的大摻量普通礦粉的耐久性混凝土配合比技術。張素香等［12］進行了四因素五水平二次回歸正交試驗，并綜合四因素考慮最終給出了路面水泥混凝土耐久性配合比建議范圍。楊華全等［13］通過實驗得出適當增大粉煤灰摻量等技術措施，便可以使混凝土各項指標滿足設計技術要求。岳修斌等［14］采用摻加優質粉煤灰降低水泥用量，得出配制的幾組混凝土性能均能滿足設計要求。蘇傳菊等［15］得出在混凝土中摻入粉煤灰，可以增強混凝土的和易性和可泵性，提高了混凝土的耐久性。黃貽鳳等［16］研究了聚丙烯纖維摻量對于混凝土的工作性能、力學性能及耐久性的影響。畢蘇萍等［17］采用磨細礦粉和粉煤灰雙摻的復合礦物摻和料，配制了C80級高性能高強混凝土。

上述研究成果通過不同的配合比試驗方法得出了高性能混凝土的最佳配合比。隨著建筑垃圾粉煤灰逐漸增加，對粉煤灰的二次利用成為了解決污染物的重要研究方向之一。為實現綠色環保目標，筆者從廢棄材料循環利用的角度出發，用粉煤灰來替代水泥；同時在混凝土中摻入納米顆粒材料ZnO來提高混凝土的力學及耐久性性能，該材料具有高效的活性，能夠促進混凝土中水泥的水化進程，能夠有效地提高混凝土的性能。通過同時摻入兩種材料得出最佳的混凝土配合比，可為今后高性能混凝土的配制提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料

選用P.O.52.5水泥，其化學組成成分如表1所示。

表1 水泥成分Table 1 Compositions of cement %

粗骨料粒徑為8~12 mm，其堆積密度約為1 452 kg/m3，表觀密度約為2 216 kg/m3，壓碎指標為5%；細骨料粒徑為0~8 mm，其堆積密度約為1 493 kg/m3，表觀密度約為2 471 kg/m3。粉煤灰壓實密度為998 kg/m3，松散密度為937 kg/m3；納米顆粒ZnO直徑約為40 nm；水為蒸餾水；減水劑為3%的高效減水劑（即減少3%的用水量），根據上述試驗原材料配制混凝土，如表2所示。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete kg/m3

1.2 方法

根據GB/T 50476—2019《混凝土結構耐久性設計標準》，為研究納米顆粒ZnO和粉煤灰對混凝土的耐久性性能，通過在混凝土中摻入1%、2%和3%的納米顆粒ZnO，并用粉煤灰分別替代混凝土中10%、20%和30%的水泥制備30組混凝土試塊。采用型號YES系列數顯壓力機測試納米顆粒ZnO粉煤灰混凝土的抗壓強度值和抗拉強度值。采用型號HC-RCT混凝土氯離子含量快速測定儀對納米顆粒ZnO粉煤灰混凝土的抗氯離子性能進行測試，通過3種實驗得出最佳的配合比。最后通過型號SU3900掃描電鏡對混凝土的微觀結構進行測試，分析其性能變化規律。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

在混凝土中摻入不同含量的粉煤灰和納米顆粒ZnO，測試納米顆粒ZnO粉煤灰混凝土的抗壓強度演變關系，如圖1所示。從圖1可以看出，在粉煤灰替代率相同的情況下，隨著納米顆粒ZnO質量分數的增加（0%~3%），納米顆粒ZnO粉煤灰混凝土的抗壓強度逐漸增加。如粉煤灰替代率為20%時，無納米顆粒ZnO的混凝土抗壓強度為47.5 MPa，1%納米顆粒ZnO的混凝土抗壓強度為49.2 MPa，2%納米顆粒ZnO的混凝土抗壓強度為52.8 MPa，3%納米顆粒ZnO的混凝土抗壓強度為53.1MPa；而在納米顆粒ZnO含量相同的情況下，隨著粉煤灰替代率的增加（0%~30%），納米顆粒ZnO粉煤灰混凝土的抗壓強度逐漸下降。如納米顆粒ZnO質量分數為2%時，無粉煤灰的混凝土的抗壓強度為59.7 MPa，10%粉煤灰的混凝土的抗壓強度為56.1 MPa，20%粉煤灰的混凝土的抗壓強度為52.8 MPa，30%粉煤灰的混凝土的抗壓強度為48.1 MPa。分析納米顆粒ZnO對混凝土抗壓強度提高率可以得出，當納米顆粒ZnO質量分數從0%增長到2%時，混凝土抗壓強度增長最快，而當納米顆粒ZnO質量分數從2%增長到3%時，混凝土抗壓強度增長速率變慢，因此可以得出最佳的納米顆粒ZnO摻量應為2%。對比分析粉煤灰對混凝土抗壓強度損失率可以得出，隨著粉煤灰替代率的逐漸增加，混凝土抗壓強度損失速率逐漸加快。

圖1 納米顆粒ZnO和粉煤灰對混凝土的抗壓強度的影響Fig.1 Influence of nano ZnO and fly ash on compressive strength of concrete

進一步分析上述兩種材料對混凝土的影響可以得出，1）對于納米顆粒ZnO材料：納米顆粒ZnO能夠有效地填充至混凝土的內部空隙中，提高混凝土的密實度，從而使得混凝土的抗壓強度提高，當摻入的量較少時，納米顆粒ZnO對混凝土的增強作用具有非常明顯的作用。但另一方面由于納米顆粒ZnO幾乎沒有力學強度，摻入過多的納米顆粒ZnO后，混凝土的抗壓強度會降低。因此在試驗過程中，納米顆粒ZnO含量對混凝土抗壓強度的影響呈現出先增加而后下降的現象。2）對于粉煤灰材料：摻入粉煤灰也能夠填充混凝土的內部空隙，增加混凝土的抗壓強度，但由于粉煤灰材料摻量越大，替代水泥的比例越高，使混凝土的抗壓強度損失逐漸增大，相比之下，粉煤灰對混凝土抗壓強度的提高就不是那么明顯。對比兩因素三水平的試驗結果，當納米顆粒ZnO質量分數為1%時，建議粉煤灰的替代率在10%以下；當納米顆粒ZnO質量分數為2%時，建議粉煤灰的替代率在20%以下；而納米顆粒ZnO質量分數為3%時，建議粉煤灰的替代率仍在20%以下，因此不建議納米顆粒ZnO的摻量超過2%。

2.2 抗拉強度

在混凝土中摻入不同含量的粉煤灰和納米顆粒ZnO，測試納米顆粒ZnO粉煤灰混凝土的抗拉強度演變關系，如圖2所示。從圖2可以看出，在粉煤灰替代率相同的情況下，隨著納米顆粒ZnO質量分數的增加（0%~3%），納米顆粒ZnO粉煤灰混凝土的抗拉強度逐漸增加。如粉煤灰替代率為20%時，無納米顆粒ZnO的混凝土抗拉強度為4.1 MPa，1%納米顆粒ZnO的混凝土抗拉強度為4.5 MPa，2%納米顆粒ZnO的混凝土抗拉強度為4.9 MPa，3%納米顆粒ZnO的混凝土抗拉強度為4.9 MPa；而在納米顆粒ZnO含量相同的情況下，隨著粉煤灰替代率的增加（0%~30%），納米顆粒ZnO粉煤灰混凝土的抗拉強度逐漸下降。如納米顆粒ZnO質量分數為2%時，無粉煤灰的混凝土的抗拉強度為5.4 MPa，10%粉煤灰的混凝土的抗拉強度為5.2 MPa，20%粉煤灰的混凝土的抗拉強度為4.9 MPa，30%粉煤灰的混凝土的抗拉強度為4.5 MPa。分析納米顆粒ZnO對混凝土抗拉強度提高率可以得出，當納米顆粒ZnO質量分數從0%增長到2%時，混凝土抗拉強度增長的最快，而當納米顆粒ZnO質量分數從2%增長到3%時，混凝土抗拉強度增長速率變慢，因此可以得出最佳的納米顆粒ZnO摻量應為2%。對比分析粉煤灰對混凝土抗拉強度損失率可以得出，隨著粉煤灰替代率的逐漸增加，混凝土抗拉強度損失速率逐漸加快。

圖2 納米顆粒ZnO和粉煤灰對混凝土的抗拉強度的影響Fig.2 Influence of nano ZnO and fly ash on tensile strength of concrete

進一步分析上述兩種摻量對混凝土的影響可以得出，1）對于納米顆粒ZnO材料，由于納米顆粒ZnO可以使得混凝土的內部結構更為密實，降低混凝土的孔隙率，從而提高混凝土的密實度。但另一方面由于納米顆粒ZnO的抗拉強度很小，因此過多地摻入納米顆粒ZnO會使得混凝土的抗拉強度降低。因此在試驗過程中，納米顆粒ZnO含量對混凝土抗拉強度的影響呈現出先增加而后下降的現象。2）對于粉煤灰材料，由于粉煤灰材料摻量越大，替代水泥的比例越高，因此混凝土的抗拉強度損失逐漸增大，相比之下，粉煤灰對混凝土抗拉強度的提高就不是那么明顯。對比兩因素三水平的試驗結果，當納米顆粒ZnO質量分數為1%時，建議粉煤灰的替代率在10%以下；當納米顆粒ZnO質量分數為2%時，建議粉煤灰的替代率在20%以下；而納米顆粒ZnO質量分數為3%時，建議粉煤灰的替代率仍在20%以下，因此不建議納米顆粒ZnO的摻量超過2%。

2.3 抗氯離子性能

在混凝土中摻入不同含量的粉煤灰和納米顆粒ZnO，測試納米顆粒ZnO粉煤灰混凝土的抗氯離子侵蝕演變關系，如圖3所示。隨著納米顆粒ZnO質量分數的增加（0%~3%），納米顆粒ZnO粉煤灰混凝土的抗氯離子侵蝕性能逐漸增加。如在深度為20 mm處的氯離子濃度，當粉煤灰替代率為20%時，無納米顆粒ZnO的混凝土氯離子質量分數為1.6%，1%納米顆粒ZnO的混凝土氯離子質量分數為1.3%，2%納米顆粒ZnO的混凝土氯離子質量分數為1.1%，3%納米顆粒ZnO的混凝土氯離子質量分數為1%。在納米顆粒ZnO含量相同的情況下，隨著粉煤灰替代率的增加（0%~30%），納米顆粒ZnO粉煤灰混凝土的抗氯離子侵蝕性能逐漸增加。如在深度為20 mm處的氯離子濃度，當納米顆粒ZnO質量分數為2%時，無粉煤灰的混凝土氯離子質量分數為1.8%，10%粉煤灰的混凝土氯離子質量分數為1.4%，20%粉煤灰的混凝土氯離子質量分數為1.1%，30%粉煤灰的混凝土氯離子質量分數為1%。分析納米顆粒ZnO對混凝土抗氯離子侵蝕性能提高率可以得出，當納米顆粒ZnO質量分數從0%增長到2%時，混凝土抗氯離子侵蝕性能增長得最快，而當納米顆粒ZnO質量分數從2%增長到3%時，混凝土抗氯離子侵蝕性能增長速率變慢，因此可以得出最佳的納米顆粒ZnO摻量應為2%。對比分析粉煤灰對混凝土抗氯離子侵蝕性能提高率可以得出，當粉煤灰質量分數從0%增長到20%時，混凝土抗氯離子侵蝕性能增長得最快，而當粉煤灰質量分數從20%增長到30%時，混凝土抗氯離子侵蝕性能增長速率變慢，因此可以得出最佳的粉煤灰摻量應為20%。

圖3 納米顆粒ZnO和粉煤灰對混凝土的抗氯離子性能的影響Fig.3 Influence of nano ZnO and fly ash on chloride resistance of concrete

進一步分析上述兩種摻量對混凝土的影響可以得出，1）對于納米顆粒ZnO材料，由于納米顆粒ZnO可以使得混凝土的內部結構更為密實，降低混凝土的孔隙率，從而提高混凝土的密實度。當混凝土內部已經填充密實時，隨著納米顆粒ZnO摻量的增多并不能明顯地提高混凝土的抗氯離子性能。因此在試驗過程中，納米顆粒ZnO含量對混凝土抗氯離子性能的影響呈現出先增加而后下降的現象。2）對于粉煤灰材料，粉煤灰在提高混凝土的抗氯離子性能方面的原因與納米顆粒ZnO類材料類似，并且粉煤灰的比表面積也很小，能夠與納米顆粒ZnO互相補充，密實混凝土內部空隙。當混凝土內部已經填充密實時，隨著粉煤灰摻量的增多并不能明顯地提高混凝土的抗氯離子性能。因此在試驗過程中，粉煤灰含量對混凝土抗氯離子性能的影響也呈現出先增加而后下降的現象。因此，摻入越多的納米顆粒ZnO和粉煤灰等活性材料，混凝土的抗氯離子性能就越好，但摻入的比例應綜合考慮對混凝土抗壓強度及抗拉強度的影響。

2.4 微觀測試

不摻入納米顆粒ZnO和粉煤灰的混凝土（a）和摻入2%納米顆粒ZnO和20%的粉煤灰的混凝土（b）SEM圖見圖4。從圖4可以看出，兩者在內部結構上有著明顯的差異，摻入外加材料的混凝土內部結構更為密實，即密實度更高。因此其耐久性即抗氯離子性能也就越好。

圖4 微觀測試Fig.4 Micro test

3 結論

本文通過調整納米顆粒ZnO材料含量和粉煤灰材料含量，配制不同配合比的混凝土，通過測試混凝土的抗壓強度、抗拉強度和抗氯離子性能，得出了以下結論：1）當納米顆粒ZnO質量分數從0%增長到2%時，混凝土抗壓強度、抗拉強度和抗氯離子性能增長得最快，而當納米顆粒ZnO質量分數從2%增長到3%時，混凝土抗壓強度、抗拉強度和抗氯離子性能增長速率變慢，因此可以得出最佳的納米顆粒ZnO摻量應為2%。2）隨著粉煤灰替代率的逐漸增加，混凝土抗壓強度和抗拉強度損失速率逐漸加快。當粉煤灰質量分數從0%增長到20%時，混凝土抗氯離子侵蝕性能增長得最快，而當粉煤灰質量分數從20%增長到30%時，混凝土抗氯離子侵蝕性能增長速率變慢，因此可以得出最佳的粉煤灰摻量應為20%。3）當納米顆粒ZnO質量分數為1%時，建議粉煤灰的替代率在10%以下；當納米顆粒ZnO質量分數為2%時，建議粉煤灰的替代率在20%以下；而納米顆粒ZnO質量分數為3%時，建議粉煤灰的替代率仍在20%以下，因此不建議納米顆粒ZnO的摻量超過2%。