納米SiO2改性水泥基復合材料性能分析與橋梁施工應(yīng)用

夏曉亮

(寧波市杭州灣大橋發(fā)展有限公司,浙江 寧波 315000)

水泥基材料(混凝土、砂漿等)易于制造、成本低，被廣泛應(yīng)用于隧道、鐵路、公路橋梁等領(lǐng)域。材料的強度和耐久性是評價材料質(zhì)量的重要指標。隨著建筑材料在更多領(lǐng)域、更多環(huán)境中的應(yīng)用，提高水泥材料的綜合性能越來越受到人們的廣泛關(guān)注。納米材料的出現(xiàn)為進一步提高材料的性能提供了新的途徑，廣泛應(yīng)用于砂漿、混凝土等材料的改性和優(yōu)化。有學者研究碳納米管(CNTs)在改善水泥復合材料中的作用，發(fā)現(xiàn)CNTs可能加速水泥水化，增加CNTs與水泥基體之間的摩擦[1]；納米TiO2在水泥砂漿中的作用，通過掃描電鏡和X射線衍射發(fā)現(xiàn)，3%的納米TiO2能顯著提高水泥砂漿的抗拉強度和抗折強度，28 d時砂漿的內(nèi)部孔隙率和有害孔隙率分別降低37.0%和37.9%，有效地提高了壓實度[2]；添加0.02%的功能性化石石墨烯納米片可以加速水泥材料的水化反應(yīng)，顯著提高水泥材料的抗折強度和抗壓強度[3]；發(fā)現(xiàn)納米TiHA可以影響水泥的固化和硬化，殼聚糖可以延緩二水硫酸鈣的固化，與硫酸鈣的結(jié)合可以改善水泥的處理和加工性能[4]。針對水泥基復合材料在橋梁中的應(yīng)用，本研究采用納米SiO2對水泥基復合材料進行改性和優(yōu)化，以提高水泥基復合材料在橋梁中的應(yīng)用效果。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

水泥：P·O42.5普通硅酸鹽水泥，哈爾濱天鵝水泥廠；粉煤灰：南京熱電廠一級粉煤灰；骨料：中砂，玉泉砂廠，細度模數(shù)203；礫石，賓縣賓西墊層廠，連續(xù)級配；高效減水劑：聚羧酸系高效減水劑，黑龍江科曼建材有限公司；納米二氧化硅：杭州萬晶新材料有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1試樣制備

(1) 配合比：納米SiO2質(zhì)量分數(shù)分別為0.5%、1%、2%和3%，具體配比情況如表1所示；

表1 試樣混合配比情況Tab.1 Sample mixing ratio results

(2)制備工藝：將納米SiO2與水混合，用小型高速混合器攪拌2 min，得到預(yù)分散液；干拌水泥、骨料、粉煤灰攪拌2 min；加入剩余水、預(yù)分散液和減水劑攪拌8 min；將混合物倒入模具中放置1 d，并在標準養(yǎng)護室保存28 d。

1.2.2 性能測試

1) 流動性測試

使用NLD-3跳臺測試儀測試混合物的流動性，主要步驟：(1)用濕毛巾濕潤試驗機；(2)將混合物分2層放入錐形模具中，第1層位于模具高度的1/2～2/3處，第2層高出模具10～20 mm；(3)使用振動器將其快速壓至中心，并使用抹刀將表面磨平；(4)取下模套，打開測試儀，跳過25次后停止；(5)用直尺測量混合物的直徑。

2)壓縮和彎曲試驗

使用WE-600b萬能試驗機進行壓縮和彎曲試驗。(1)壓縮試驗：選擇一個夾具，將壓力機設(shè)置為0，然后將試樣放入壓力機中使其側(cè)面壓縮，加載速度為(2 400±200 )N/s；抗壓強度計算公式為Rc=Fc/A，式中，F(xiàn)c是最大載荷；A是壓縮表面的面積 。(2)抗彎試驗：將試樣放入夾具中壓縮，調(diào)整夾具和試樣的位置，加載速度為(50±10)N/s，加載持續(xù)至試件損壞；抗彎強度計算公式為Rb=1.5FmL/a, 式中，F(xiàn)m是試樣中間的荷載；L表示跨度；a表示試樣橫截面的邊長。

3)抗?jié)B性試驗

(1)加熱抗?jié)B模具使其略微膨脹；(2)熔化石蠟，使其包含在試樣側(cè)面，以防止?jié)B水；(3)將試樣壓入抗?jié)B模具中，安裝在砂漿抗?jié)B儀上。試樣在連續(xù)壓縮24 h后分裂，測量滲透高度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 流動性

不同試樣的流動性如圖1所示。

圖1 不同試樣的流動性Fig.1 Flowability of different samples

從圖1可以看出，S0的流動性為267 mm，S4的流動性為152 mm，比S0低約43%；S1的流動性為251 mm，下降幅度較小。結(jié)果表明，納米SiO2的含量越大，流動性損失越大。

2.2 壓縮和彎曲性能

材料的壓縮和彎曲性能對橋梁的耐久性有很大的影響，材料性能越好，在橋梁施工中的使用效果越好。不同試樣的壓縮和彎曲性能如圖2所示。

圖2 不同試件的壓縮和彎曲性能Fig.2 Compression and bending properties of different specimens

從圖2可以看出，S2的抗壓強度和抗折強度最高，S0的抗壓強度和抗折強度分別為32.5、6.8 MPa，S2的抗壓強度和抗折強度分別為49.7、10.1 MPa，分別比S0提高52.92%和48.53%。結(jié)果表明，納米SiO2含量為1%時，試件的力學性能最好，在橋梁施工中具有較好的性能。

2.3 抗?jié)B性

鋼筋銹蝕將直接導致橋梁的劣化,在沿海、跨海等環(huán)境中，橋梁的抗?jié)B性尤為重要；不同試樣的滲透高度見表2。

表2 不同試樣的滲透高度Tab.2 Penetration height of different samples

由表2可知，試樣滲透高度逐漸降低，S0滲透高度為3 cm，S4滲透高度降至1.67 cm，約為S0的一半。結(jié)果表明，加入適量的納米SiO2能有效提高試件的抗?jié)B性能，提高橋梁材料的抗?jié)B性能，這有利于在跨海、跨河橋梁施工中具有較好的適用性。

3 討論

3.1 材料流動性

材料的流動性是指混合料克服阻力、自由填充模板的能力，對施工效果有非常重要的影響。在材料的實際應(yīng)用中，如果流動性差，可能導致振動困難而無法成型，材料表面和內(nèi)部會出現(xiàn)許多孔洞，影響橋梁的施工效果。因此，有必要研究納米SiO2對試樣流動性的影響[7]。圖1顯示，當納米SiO2含量過大時，試樣的流動性較差，這可能是由于變形蟲顆粒的比表面積較大所致。圖2顯示，當納米SiO2含量為1%時，納米顆粒均勻地分散在水泥漿體中，有效地填補了漿體內(nèi)部的空隙，但納米SiO2含量過高會導致材料性能下降，這可能是因為納米SiO2發(fā)生了團聚，在漿料中形成了新的缺陷。

3.2 材料抗?jié)B性

由表2可知，納米SiO2含量越高，抗?jié)B性越好，這可能是因為納米SiO2的加入促進了水化反應(yīng)，從而顯著提高了材料的抗?jié)B性[8]。一般來說，納米SiO2的加入對試樣的抗?jié)B性影響最大。S4的滲透高度比S0低44.33%，對材料的流動性影響較大。納米SiO2含量越大，材料的流動性損失越大。從這個角度來說，納米SiO2的含量一定要適當，否則不利于橋梁的建設(shè)。

3.3 材料壓縮和彎曲性能

從水泥基復合材料在橋梁中的應(yīng)用來看，較高的抗壓和抗折強度有利于保證橋梁更好的工作性能，從而更好地滿足車輛等交通需求，良好的抗?jié)B性能可以降低橋梁內(nèi)部鋼筋的腐蝕速率。因此，在跨海大橋、海島建設(shè)等工程中具有較好的應(yīng)用效果。除了本文討論的性能外，納米SiO2的加入對橋梁的抗震性能也有影響。例如，研究了納米SiO2和纖維增強聚合物對混凝土管道地震響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)納米SiO2和纖維增強聚合物可以降低結(jié)構(gòu)的動力撓度，從而降低結(jié)構(gòu)的動力變形[9]；納米SiO2的加入可以提高鋼纖維增強混凝土循環(huán)抗彎性能的有效性，從而降低地震引起的靜荷載[10]。因此，納米SiO2對橋梁抗震性能的影響值得進一步研究。

此外，還有一些問題需要進一步研究解決，例如：(1) 測試材料的收縮、碳化、耐熱性和抗凍性；(2) 從微觀結(jié)構(gòu)角度研究納米SiO2的改性與優(yōu)化；(3) 探索2種或2種以上納米粒子對材料的改性，等等。

4 結(jié)語

為了提高水泥基復合材料在橋梁施工中的性能，本文對納米SiO2的改性和優(yōu)化進行了研究。

(1) 加入納米SiO2后，混合物的流動性逐漸降低；

(2) 加入納米SiO2后，試件的抗壓和抗折強度先增大后減小；當納米SiO2質(zhì)量分數(shù)為1%時，試樣的力學性能最好；

(3) 加入納米SiO2后，提高了試件的抗?jié)B性。

試驗結(jié)果表明，納米SiO2質(zhì)量分數(shù)為1%時，該材料性能最佳，能有效提高橋梁的耐久性，具有更廣泛的適用性。