凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下納米SiO2對混凝土性能影響研究

宋晶穎， 許玲玲， 買 哲

(新鄉學院，河南 新鄉 453000)

0 引 言

混凝土材料在當前的建筑領域應用最為廣泛，但由于我國西北地區的鹽漬土環境中存在著高濃度的硫酸根離子且晝夜溫差較大，該地區的混凝土長期受到凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用降低了混凝土的結構安全性，同時也縮短了其使用年限[1-4]。而隨著國家“十四五”規劃的出臺，對西北地區建設的投入越來越大，因此研究凍融循環與硫酸鹽耦合作用下混凝土的性能影響具有十分重要的意義。

納米SiO2屬于無機化工材料且具有良好的火山灰活性、微集料填充作用和晶核效應，將其摻入混凝土中能夠顯著改善混凝土的強度和耐久性能[5-6]。朱迎等[7]研究發現，在混凝土中摻入納米SiO2能夠有效提高混凝土的抗壓強度。張鵬等[8]通過對納米SiO2混凝土三點彎曲小梁試件進行了斷裂試驗，結果表明納米SiO2的摻入使混凝土切口小梁試件臨界裂縫嘴張開位移和臨界裂縫尖端張開位移均有不同程度的增大，即納米SiO2的摻入可以提高混凝土的斷裂韌度。梅軍帥等[9]研究表明，納米SiO2的異相晶核效應、高火山灰反應活性和微集料填充效應共同作用提高了砂漿保護層的致密度，從而提高了混凝土的抗氯離子的滲透性能。劉家文等[10]研究了納米SiO2摻量對混凝土工作性、力學強度、折壓比、接觸角及滲水高度的影響，結果表明隨著納米SiO2摻量的增加，混凝土強度與韌性有更明顯的提高，同時納米SiO2可加快乳化瀝青破乳成膜，同時促使更多的C-S-Η凝膠產生，使混凝土更密實和均勻化。

上述學者對納米SiO2混凝土在常規條件下的性能研究已經較為成熟，但在凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下的研究較少。因此，本文設計并開展了納米SiO2混凝土在凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下的性能，以期為西北地區鹽漬土環境下的建筑物耐久性設計提供理論支撐。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；粗骨料：粒徑為5～15 mm的連續級配碎石；細骨料：中砂，細度模數為2.65；納米SiO2：上海科延實業有限公司生產，其相關性能參數見表1；硫酸鹽：煙臺市雙雙化工有限公司生產的分析純·AR型無水硫酸鈉；減水劑：陜西秦奮建材有限公司生產的ΗPWR型高性能減水劑；水：自來水。

表1 納米SiO2性能參數

1.2 配合比設計

依據JGJ 55—2011 《普通混凝土配合比設計規程》，同時為了與工程實際相吻合，配制混凝土的強度等級為C40，并根據工作性確定減水劑摻量，試驗設計的納米SiO2混凝土具體配合比見表2。

表2 納米SiO2混凝土配合比 kg/m3

1.3 試件制作及試驗方案

采用強制式攪拌機制作試件，先將稱量好的石子和砂子混合干拌90 s，然后倒入納米SiO2繼續干拌90 s，接著加入水泥干拌120 s，最后加入水和減水劑攪拌120 s，制作完成試件。抗壓強度及劈裂抗拉強度試驗每組各制作 3個 100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，隨后放入室溫為（20±2）℃的不流動飽和氫氧化鈣溶液中養護28 d。

本文硫酸鹽溶液濃度為5%，采用快凍法進行試驗，具體操作步驟按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行，凍融循環時試件中心溫度控制為-18 ℃、5 ℃，4 h完成一次凍融循環，每30次循環測試試件的質量、抗壓強度、劈裂抗拉強度和超聲波聲速。

2 試驗結果與分析

2.1 質量

試件質量與納米SiO2摻量和凍融循環次數的關系曲面圖如圖1(a)所示，質量損失率如圖1(b)所示。

圖1 試件質量與納米SiO2摻量和凍融循環次數的關系圖

從圖1(a)可以看出，試件質量隨著凍融循環次數變化主要分為兩個階段，即在凍融循環初期質量呈現增長趨勢，在后期質量呈現下降趨勢。未經凍融循環與硫酸鹽耦合作用時，第4#組試件質量最大，為2.139 kg，第1#試件質量最小，為2.135 kg，總體上相差不大，伴隨著凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用的進行，各組試件質量均開始增長，結合圖1(b)中的各組試件質量損失率可以看出，當耦合作用試驗30次時，第1#～5#試件質量相較于未經耦合作用的試件分別增長 5%、5.6%、6.2%、5.8%、6.1%；第1#、2#、5#組試件在耦合作用試驗進行到60次、90次時質量仍在繼續增長，在耦合作用試驗進行到120次及之后，試件質量開始出現下降；綜合5組試件的質量損失率來看，第3#組試件的質量增長最大，當耦合作用試驗進行到90次時，質量增長12.5%且在凍融循環進行到150次時試件質量才開始出現下降。這表明：當納米SiO2摻量為4.0 kg/m3時，試件質量在耦合作用試驗時初期質量增長較快，同時在后期試件質量下降較慢。

利用Matlab的多元回歸模塊對凍融循環與硫酸鹽耦合作用下納米SiO2混凝土質量變化進行了多項式曲面公式擬合，結果如下式所示：

式中：m——混凝土質量，kg；

x——耦合作用次數；

y——納米 SiO2摻量，kg/m3；

r2——決定系數。

2.2 抗壓強度和劈裂抗拉強度

試件抗壓強度與納米SiO2摻量和凍融循環次數的關系曲面圖如圖2(a)所示，抗壓強度損失率如圖2(b)所示。試件劈裂抗拉強度與納米SiO2摻量和凍融循環次數的關系曲面圖如圖3(a)所示，劈裂抗拉強度損失率如圖3(b)所示。

圖2 試件抗壓強度變化圖

圖3 試件劈裂抗壓強度變化圖

由圖2(a)和圖3(a)可以看出，未經耦合作用的試件即標準養護28 d的試件，隨著納米SiO2摻量的增加，其抗壓強度和劈裂抗拉強度均呈現先增長后降低的趨勢，當納米SiO2摻量為0時，試件抗壓強度和劈裂抗拉強度分別為42.1 MPa和4.68 MPa，當納米SiO2摻量為4 kg/m3時，抗壓強度達到峰值，為49.2 MPa，增幅為16.94%，當納米SiO2摻量為6 kg/m3時，劈裂抗拉強度達到峰值，為6.23 MPa，增幅為33.12%，這表明在混凝土中摻入納米SiO2有利于提升其抗壓強度和劈裂抗拉強度，且對劈裂抗拉強度的提升效果大于抗壓強度。伴隨著耦合作用的進行，第1#～5#組試件抗壓強度和劈裂抗拉強度均呈現下降趨勢，由圖2(b)和圖3(b)可知，當經歷30次耦合作用時，第1#～5#組試件抗壓強度分別下降1%、0.4%、0.4%、0.6%、1.2%，劈裂抗拉強度分別下降 3.21%、2.92%、2.25%、2.73%、3.94%；當經歷60次耦合作用時，第1#～5#組試件抗壓強度分別下降3.8%、2.4%、1.6%、2.1%、4.1%，劈裂抗拉強度分別下降8.55%、7.39%、5.53%、6.9%、9.27%；當經歷120次耦合作用時，第1#～5#組試件抗壓強度分別下降14%、10.1%、8.1%、10.4%、15.7%，劈裂抗拉強度分別下降 24.57%、21.21%、15.72%、18.62%、25.64%；當經歷180次耦合作用時，第1#～5#組試件抗壓強度分別下降32.1%、23%、19.3%、24%、35%，劈裂抗拉強度分別下降54.91%、47.28%、36.1%、40.93%、55.62%。

上述對凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下的不同摻量納米SiO2的抗壓強度和劈裂抗拉強度分析可知：1）在混凝土中摻入適量的納米SiO2有利于混凝土抗耦合作用，但過量的納米SiO2摻入混凝土反而效果較差；2）本文設計的納米SiO2混凝土在正常環境下抗壓強度最佳摻量為4.0 kg/m3，劈裂抗拉強度的最佳摻量為6.0 kg/m3，在耦合作用下的最佳摻量為4.0 kg/m3。

利用Matlab的多元回歸模塊分別對凍融循環與硫酸鹽耦合作用下納米SiO2混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度變化進行了多項式曲面公式擬合，結果如下式所示：

式中：fc——混凝土抗壓強度，MPa；

fu——混凝土劈裂抗拉強度，MPa。

2.3 相對動彈性模量

通常采用相對動彈性模量表示混凝土內部的損傷程度，從而評定混凝土的劣化程度[11-12]。本文采用超聲波測定儀測試聲波聲速法計算相對動彈性模量，試件的相對動彈性模量計算方法為：

式中：E——試件的相對動彈性模量；

V0——未受耦合作用試件的超聲波聲速，km/s；

Vn——耦合作用n次試件的超聲波聲速，km/s。

試件相對動彈性模量與納米SiO2摻量和凍融循環次數的關系曲面圖如圖4所示。可以看出第1#～5#組試件的相對動彈性模量均呈現降低的趨勢，當耦合作用60次之前，試件相對動彈性模量下降較為緩慢，表明此時混凝土內部損傷不嚴重；在耦合作用90次時，第1#～5#組試件的相對動彈性模量分別為 0.90、0.95、0.97、0.94、0.89，第 1#組和第 5#組試件內部損傷很接近且較為嚴重，但第5#組試件損傷相較第1#組更嚴重，第3#組試件即納米SiO2摻量為4.0kg/m3的試件損傷較輕，伴隨著耦合作用的繼續進行，試件的相對動彈性模量繼續降低，表明混凝土內部損傷越來越嚴重；當耦合作用為180次時，第1#～5#組試件相對動彈性模量分別為0.41、0.52、0.65、0.57、0.39，分別降低 59%、48%、35%、43%、61%，由此可以看出，第3#組試件在耦合作用下，試件劣化損傷程度最小，第5#組的相對動彈性模量與第1#組混凝土較為接近，但略小于普通混凝土，這表明其劣化損傷程度比普通混凝土嚴重，這也從側面驗證了抗壓強度和劈裂抗拉強度的試驗結果。

圖4 試件相對動彈性模量變化曲面圖

利用Matlab的多元回歸模塊對凍融循環與硫酸鹽耦合作用下納米SiO2混凝土相對動彈性模量變化進行了多項式曲面公式擬合，結果如下式所示：

其中E為混凝土相對動彈性模量。

3 凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用混凝土損傷機理

為了研究凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用混凝土損傷機理，選取了納米SiO2摻量為4.0 kg/m3時的試件進行SEM微觀掃描，如圖5所示。

圖5 SEM微觀掃描結果

從圖中可以看出，在凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用的初始階段，硫酸根離子通過試件的微孔隙和裂紋滲透進混凝土內部，針狀的腐蝕性產物會在水化產物層形成，造成水化產物（鈣礬石、石膏等）成蜂窩狀，使得試件內部形成相互貫通的較大的孔隙，降低了混凝土的密實度，形成了一條侵蝕通道，隨著耦合作用的進行，水化產物逐漸增多，造成大量的團聚和良好的結晶，使得在初始階段試件質量增加。但在侵蝕產物聚集較多的地方是混凝土的薄弱區，在耦合作用下，結晶壓力、滲透壓力和凍脹壓力導致混凝土產物微裂縫，硫酸根離子會大量進入，侵蝕產物大量增長，這樣就形成了一種惡性循環，也會導致試件內部形成更多的孔洞，試件力學性能下降。

4 結束語

1) 在未經凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下，當納米SiO2摻量為4.0 kg/m3時，試件抗壓達到峰值，為49.2 MPa，當納米SiO2摻量為6.0 kg/m3時，試件劈裂抗拉強度達到峰值，為6.23 MPa，相較于普通混凝土試件，增幅分別為16.94%和33.12%，表明適量的納米SiO2摻入混凝土中能提高混凝土的力學性能。

2) 5組試件質量均隨耦合作用次數呈現先增長后降低的趨勢，其中當納米SiO2摻量為4.0 kg/m3時，試件質量在耦合作用試驗時初期質量增長較快，同時在后期試件質量下降較慢，并根據質量值進行了公式擬合。

3) 各組試件的抗壓和劈裂抗拉強度隨耦合作用次數的變化規律基本一致，均逐漸降低，但在凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下，試件的劈裂抗拉強度劣化程度比抗壓強度嚴重的多，在耦合作用下混凝土中摻入4.0 kg/m3的納米SiO2有利于混凝土力學性能，但過量的納米SiO2摻入混凝土反而效果不佳。

4) 基于對試件相對動彈性模量的分析可知，在耦合作用下當納米SiO2摻量為4.0 kg/m3時試件劣化損傷程度最小，第5#組的相對動彈性模量與第1#組混凝土較為接近，但略小于普通混凝土，并根據相對動彈性模量值進行了公式擬合。

5) 在耦合作用初始階段侵蝕產物填充了試件內部空隙，隨著耦合持續進行，試件內部沒有足夠的孔隙能夠容納這些生成物，應力增大導致力學性能降低，劣化程度嚴重。