外摻碳化硅混凝土力學(xué)性能的試驗研究

李佳帥，徐 超

(沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

1 概述

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為傳統(tǒng)磨料的碳化硅，由于其硬度高、粒度小且粒徑分布集中等性質(zhì)成為硅片切割中的主要切削介質(zhì)。為了保證切割過程的穩(wěn)定需要加入大量的切割砂漿，其主要成分就是碳化硅。由于切割時外力的作用使碳化硅砂漿最終不能符合切割要求而成為廢料，該廢料中含有大量的碳化硅，導(dǎo)致原料的大量浪費[1]。同時，我國的工廠拆遷及工程改造也產(chǎn)生了大量的碳化硅廢料，這些廢料的隨意堆放浪費了大量的土地資源，污染了環(huán)境。針對這一弊端，如果將其回收之后再應(yīng)用于工程實踐中，不僅可以防止資源浪費，而且也改善了環(huán)境污染等問題，符合我國資源節(jié)省、環(huán)境協(xié)調(diào)和可持續(xù)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略需求。

近年來，部分學(xué)者對于碳化硅混凝土也進(jìn)行了相應(yīng)的研究。李然等[2]研究了納米顆粒對井壁混凝土耐久性能的影響，發(fā)現(xiàn)單摻碳化硅納米材料提高了井壁混凝土抗壓和抗彎強(qiáng)度，也改善了耐磨性能和干縮性能。陳昶旭等[3]對混凝土抗風(fēng)沙防護(hù)用碳化硅增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在不同沖蝕速度和沖蝕角度下，當(dāng)碳化硅摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，改性環(huán)氧樹脂的體積沖蝕率最低，沖蝕抗力良好。劉小明等[4]對碳化硅砂作細(xì)骨料增強(qiáng)瀝青混凝土的熱學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)碳化硅砂明顯提高了瀝青混凝土的微波加熱性能，并且瀝青混凝土的導(dǎo)熱性能隨著碳化硅砂替代量增大而提高。目前，對碳化硅混凝土的研究大多集中在耐磨性和耐久性等方面，而對其力學(xué)性能的研究報道較少，基于此本文對不同摻量碳化硅的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了試驗研究，以期為碳化硅在混凝土中的實際應(yīng)用提供參考。

2 試驗概況

2．1 原材料及其基本性能

試驗采用P．O42．5 級普通硅酸鹽水泥; 天然粗骨料粒徑范圍為8 mm ～20 mm 的碎石; 砂采用河砂，細(xì)度模數(shù)為2．58;拌合水采用自來水; 碳化硅的化學(xué)成分見表1;減水劑采用減水率為20%的聚羧酸減水劑;綠色碳化硅和黑色碳化硅化學(xué)成分基本相同，只是原料和生產(chǎn)工藝有所區(qū)別，綠色碳化硅為綠色的半透明體，其硬度、純度均高于黑色碳化硅，但黑色碳化硅的韌性高于綠色碳化硅，大多數(shù)用于加工抗張強(qiáng)度低的材料。

表1 碳化硅化學(xué)成分表

2．2 試驗配合比

普通混凝土的配合比依據(jù)JGJ 55—2011 普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[5]設(shè)計，本研究通過碳化硅外摻法[6-7]進(jìn)行配合比設(shè)計，即保持普通混凝土配合比不變，僅改變碳化硅的摻量。以碳化硅外摻量0 為基準(zhǔn)(對應(yīng)普通混凝土) ，對于不同外摻碳化硅量的混凝土，保持水泥、水、砂、粗骨料、外加劑不變，僅改變碳化硅的外摻量，混凝土的配合比設(shè)計見表2。

表2 混凝土配合比設(shè)計

2．3 試件制作與養(yǎng)護(hù)

為了研究外摻黑色和綠色碳化硅混凝土立方體抗壓性能，考慮碳化硅外摻量和時間齡期兩種變化參數(shù)的影響，總共設(shè)計216 個試塊開展試驗。其中，碳化硅外摻含量考慮了0%，3%，5%，7%，10%等五種摻量(質(zhì)量百分比，下同) ，對應(yīng)的試件組分別為C0，C1，C2，C3，C4;時間齡期考慮了7 d，14 d，21 d，28 d 等4 個時間齡期。兩種類型每種摻量對應(yīng)每一時間齡期做1 組試塊，每組3 個100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件做抗壓強(qiáng)度試驗。制備試件后移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，根據(jù)齡期進(jìn)行混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

3．1 試驗結(jié)果

按照GB/T 50081—2002 普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[8]分別測試碳化硅外摻量為0%，3%，5%，7%，10%五種摻量混凝土的7 d，14 d，21 d 和28 d 立方體抗壓強(qiáng)度。立方體抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果見表3，表3 中每個數(shù)據(jù)取3 個試件實測結(jié)果平均值。

表3 立方體抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

3．2 結(jié)果分析

圖1，圖2 分別給出了不同摻量黑色碳化硅和綠色碳化硅對混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響。由圖1，圖2 可見，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度呈增長趨勢，與無外摻混凝土相比較，3%，5%摻量碳化硅混凝土各齡期立方體抗壓強(qiáng)度提高更明顯。當(dāng)外摻量小于5%時，隨著碳化硅摻量增大，各齡期抗壓強(qiáng)度呈遞增趨勢，5%摻量碳化硅混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。對外摻黑色碳化硅的混凝土立方體，7 d，14 d，21 d，28 d 的抗壓強(qiáng)度分別提高了31%，34%，44%，18%，對外摻綠色碳化硅的混凝土立方體，7 d，14 d，21 d，28 d 的抗壓強(qiáng)度分別提高了57%，58%，48%，23%。當(dāng)摻量大于5%小于10%時，隨著碳化硅摻量增大，各齡期抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯遞減趨勢。

圖1 不同摻量黑色碳化硅抗壓強(qiáng)度比較

圖2 不同摻量綠色碳化硅抗壓強(qiáng)度比較

圖3，圖4 分別給出3%，5%摻量的黑色碳化硅和綠色碳化硅與無外摻混凝土強(qiáng)度相比較。由圖3，圖4 可見，與無外摻混凝土相比，3%，5%摻量碳化硅的立方體抗壓強(qiáng)度均有所提升，5%摻量碳化硅的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度提高更明顯一些，其中5%摻量的綠色碳化硅混凝土抗壓強(qiáng)度增長幅度最大。

圖3 3%摻量碳化硅抗壓強(qiáng)度比較

圖4 5%摻量碳化硅抗壓強(qiáng)度比較

圖5，圖6 分別給出了7%，10%摻量的黑色碳化硅和綠色碳化硅與無外摻混凝土強(qiáng)度相比較，由圖5，圖6 可見，7 d 時7% 和10% 摻量的黑色碳化硅混凝土出現(xiàn)了強(qiáng)度低于無外摻混凝土強(qiáng)度的現(xiàn)象。隨著齡期的增長7% 摻量碳化硅的混凝土立方體14 d，21 d 強(qiáng)度逐漸增長且高于無外摻混凝土強(qiáng)度，但增長幅度趨于平緩，28 d 時外摻碳化硅混凝土立方體強(qiáng)度低于無外摻混凝土抗壓強(qiáng)度。隨著齡期增長，10%摻量碳化硅的混凝土立方體14 d，21 d，28 d 增長幅度趨于平緩，幾乎無增長，且低于28 d 無外摻混凝土抗壓強(qiáng)度。

圖5 7%摻量碳化硅抗壓強(qiáng)度比較

圖6 10%摻量碳化硅抗壓強(qiáng)度比較

普通水泥的平均粒徑為10 μm ～20 μm，如果在該體系中摻入極小粒徑的碳化硅，由于碳化硅摻入后能發(fā)揮較好的微集料填充作用，填充骨架及內(nèi)部缺陷、增加漿體含量、加速水化物生成，使硬化漿體結(jié)構(gòu)和膠結(jié)面更為致密，混凝土強(qiáng)度提高。但是碳化硅摻量的增加并不會一直使強(qiáng)度增加，由試驗可知，碳化硅在該體系中有一個最合適摻量(5%) ，此時水化物晶體的致密性達(dá)到最大化，并且復(fù)合體系的混凝土抗壓強(qiáng)度可以最大化，低于或者高于這個最合適摻量都達(dá)不到這個效果，當(dāng)摻量大于5%時隨著碳化硅顆粒的持續(xù)增加，水泥砂漿顆粒的間距會減小，會使水化物晶體的生長空間被壓縮，從而使硬化的水泥變得疏松，最終導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度下降[9]。

4 結(jié)語

1) 碳化硅的適量摻入有利于混凝土的各個齡期強(qiáng)度的增強(qiáng)，隨著碳化硅的摻入混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長、達(dá)到峰值后而下降的趨勢。當(dāng)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值時，碳化硅的摻量為5%。當(dāng)摻量超過5%時，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢，且出現(xiàn)強(qiáng)度低于無外摻混凝土的現(xiàn)象。2) 綠色碳化硅的適量摻入對于混凝土強(qiáng)度的提升，要明顯好于黑色碳化硅的摻入。因此，要提高混凝土的強(qiáng)度，建議優(yōu)選綠色碳化硅。