納米SiO2改性傳統陶?；炷良傲W性能研究

程興旺,張 超,冉旭勇,韓軍昭

(1.陜西工業職業技術學院 土木工程學院,陜西 咸陽 712000;2.中建鋼構有限公司,四川 成都 620564)

鐵尾礦陶?；炷烈蚱鋪碓磸V泛,價格低廉,在各個領域得到了廣泛使用。但受陶粒自身強度的影響,陶?；炷恋牧W強度較低,對其應用產生了極大的限制。為了提升陶粒混凝土性能,部分學者也進行了很多研究。如通過優化陶?；炷僚浔葍灮瘜炷吝M行優化[1]。通過往陶?；炷羶忍砑臃勖夯以鰪娖淞W和干燥收縮性能,試驗結果表明:該混凝土具有早強特征.缺水養護條件下,添加粉煤灰的蒸壓陶粒輕骨料混凝土殘余強度仍可達80%以上。蒸壓陶粒輕骨料混凝土的干燥收縮隨齡期增長而增加,0%～30%摻量的粉煤灰對混凝土的干燥收縮無明顯影響[2]。以粉煤灰與硅粉替代部分水泥,優化陶粒混凝土的性能[3]。通過鋼纖維對陶粒混凝土的耐高溫性能進行優化[4]?；诖?本試驗以文獻[5]的方法為參考,通過納米二氧化硅對陶?；炷吝M行改性,并對改性后陶?；炷亮W性能進行分析。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料:P·O42.5水泥(德翊機械);粉煤灰(I級),百益礦產品;減水劑(AR),鴻泉化工;鐵尾礦陶粒(I級),恒遠利廢;砂(Ⅱ級),聚硅礦業;納米二氧化硅(AR),博建精細化工。

主要設備:HN-1500型超聲波材料分散器(歐萊博技術);YES-300型壓力試驗機(研瑞測試儀器);EVO型掃描電鏡(同盛設備科技);JW750型水泥攪拌機(雷博機械設備)。

1.2 試驗方法

(1)通過HN-1500型超聲波材料分散器將納米二氧化硅在水中分散,分散時間為45 min,得到懸浮液。將減水劑倒入懸浮液內,緩慢攪拌5 min使其混合均勻;

(2)將干料倒入攪拌機內進行干拌,時間為2 min,然后倒入懸浮水劑,先攪拌2 min,之后靜置30 s;然后繼續攪拌2 min;

(3)提前對模具進行刷油處理,然后將拌合物倒入模具中,在振動臺的作用下振動密實,振動時間為10 s,養護1 d脫模編號后,繼續標準養護至指定齡期。

表1 混凝土配合比設計

1.3 性能測試

1.3.1和易性分析

參照GB 50080—2016 中的方法和標準對改性陶?；炷恋暮鸵仔赃M行分析[6-7]。

1.3.2表觀密度分析

以JGJ/T 12—2019 規定為指標,對陶粒混凝土的表觀密度進行測試[8]。

1.3.3抗壓強度測試

參照GB/T 50081—2016 通過 YES-300型壓力試驗機對混凝土力學性能進行測試,加載速度為4 kN/s[9-10]。

抗壓強度表達式[11]:

(1)

式中:fCN為抗壓強度,MPa;N為破壞極限荷載,N;A為受壓面積,mm2。

1.3.4劈裂抗拉強度

參照GB/T 50081—2002通過壓力試驗機對改性混凝土劈裂抗拉強度和彈性模量進行測試,加載速度為0.4 kN/s[12]。

劈裂抗拉強度表達式為:

(2)

式中:fts為劈裂抗拉強度,MPa;F為極限載荷,N;A為試件破裂面面積,mm2。

彈性模量表達式為[13]:

(3)

式中:Ec為彈性模量,MPa;Fa為軸心抗壓強度三分之一的荷載值,N;F0為5MPa 的初始荷載值;A為試件橫切面積,mm2;L/Δn為橫向應變值。

1.3.5微觀形貌

通過掃描混凝土內部形貌。

2 結果與討論

2.1 基礎性能分析

2.1.1和易性研究

以最高納米二氧化硅摻量為1.2%的混凝土為研究對象,對其和易性進行分析,結果表明:該混凝土最小坍落度和擴展度分別為177、376 mm,鐵尾礦陶粒均勻在混凝土試件中分布,幾乎不出現上浮現象,表面觀察不到裸露的尾礦陶粒和明顯孔洞,試件表面光滑,滿足GB 50080—2016 要求[14]。

2.1.2表觀密度

表2為表觀密度測試結果。

表2 表觀密度測試結果

由表2可知,在納米二氧化硅摻量為0.3%～1.5%時,制備的混凝土表觀密度均未超過 1 950 kg/m3,滿足JGJ/T 12—2019 規定[15-16]。

2.2 微觀形貌分析

圖1為本試驗制備的部分混凝土內部形貌。

(a)a組普通混凝土

由圖1可知,納米二氧化硅在改性混凝土內部均勻分散,對改性混凝土的納米孔隙起到一定的填充作用,孔隙和微裂縫明顯減少,混凝土的密實性增強[17]。但納米二氧化硅摻量過多時,相互團聚,無法對混凝土內部孔隙進行填充。水化產物逐漸從絮狀從層狀轉化,最后變為棱狀[18]。絮狀的水化產物可以與膠凝材料結合的更為緊密,因此力學性能較高,而棱狀水化產物與膠凝材料結合會產生一些縫隙,影響其強度[19]。因此,在摻量較大的情況下,納米二氧化硅團聚效應也較大,此時在水泥基體中反而成為了薄弱點,對改性混凝土力學性能產生不良的影響,這一點在后續力學性能試驗中會有體現。

2.3 抗壓強度測試結

圖2為抗壓強度測試結果。

圖2 抗壓強度測試結果

由圖2可知,當養護齡期為3 d時,納米二氧化硅摻量為0.3%(b組)的混凝土抗壓強度最高為34.5 MPa,較普通混凝土提升了約33%。當養護齡期為28 d時,A1組混凝土抗壓強度最高為52.8 MPa,較普通混凝土提升了約16.8%?？傮w來說,改性混凝土強度與納米二氧化硅摻量表現出負相關關系。出現這個變化的主要原因在于,在混凝土內部含有過量的納米二氧化硅時,二氧化硅自身會發生團聚,影響改性效果,對混凝土抗壓強度表現出不良影響。

圖3為部分試件破壞形態。

圖3 混凝土破壞形態

由圖3可知,當納米二氧化硅摻量較少(b組)時,鐵尾礦幾乎完全被破壞。而納米二氧化硅摻量增多,界面開始出現結構完整的鐵尾礦陶粒,且納米二氧化硅摻量越多,結構完整的鐵尾礦越多。這就說明體系內納米二氧化硅摻量越多,參與受力的鐵尾礦陶粒顆粒就越少。而鐵尾礦陶粒所在的區域存在大孔隙,這在混凝土內部是作為薄弱點存在的,其參與受力的鐵尾礦陶粒顆粒越少,薄弱點越多,則混凝土強度越差[20]。

2.4 劈裂強度

圖4為28 d混凝土劈裂強度。

圖4 劈裂抗拉測試結果

由圖4可知,當納米二氧化硅摻量為0.6%時,改性混凝土劈裂強度達到最高,為4.45 MPa,較普通混凝土劈裂強度提升了約51.7%。而納米二氧化硅摻量為0.3%時,改性混凝土劈裂強度為3.69 MPa,較普通混凝土提升了約26%。出現這個變化的主要原因:受納米二氧化硅成核位置的影響,水泥水合作用加快,這對提升混凝土強度產生積極的影響。同時,納米二氧化硅獨有的納米尺寸對水泥漿的孔結構有細化作用。再加上水泥漿體中的鈣離子會促進納米二氧化硅形成團聚體,納米二氧化硅團聚體在水泥內部會發揮類似于纖維的作用,改善了水泥基體的韌性和強度。而團聚體表面的起皺與折疊效應可以促進水泥基體與納米二氧化硅纖維結合的更為充分,使其劈裂強度有一定增加。但體系內納米二氧化硅摻量過多時,在較大團聚效應的作用下,納米二氧化硅團聚體自身力學性能下降,使得水泥基體增韌效應消失,還會影響水泥基體的密實性,降低水泥基體的抗劈裂性能。

2.5 彈性模量

圖5為混凝土彈性模量測試結果。

圖5 彈性模量測試結果

由圖5可知,納米二氧化硅摻量幾乎不影響混凝土彈性模量。這是因為混凝土彈性模量的主要影響因素為剛度和體積,幾乎與材料內部密實度無關,因此納米二氧化硅對混凝土彈性模量影響不大。

3 結語

(1)納米二氧化硅改性鐵尾礦陶?；炷?鐵尾礦陶粒不出現上浮現象;在所有摻量范圍內,混凝土表觀密度均未超過 1 950 kg/m3,表現出良好的工作性能;

(2)適量的納米二氧化硅會在混凝土內部均勻分散,對納米孔隙起填充作用,增強混凝土內部密實度。而過量的納米二氧化硅會相互團聚,無法填充混凝土內部的孔隙,還會在混凝土內部形成薄弱區,影響混凝土的力學性能;

(3)適量的納米二氧化硅對混凝土的抗壓強度和劈裂強度均產生積極的影響,對彈性模量的影響不大。