納米玻璃粉和粉煤灰對混凝土性能的影響研究

李紅玉

（山東省工程建設標準造價中心，濟南 250000）

1 前言

納米技術的出現，可通過改變材料微觀結構制備性能更好的新型混合材料，為工程中材料發展提供了新的方向。盡管納米技術已應用于其他工程領域，但建筑業尚未充分利用納米材料所提供的優勢[1]。

玻璃粉和粉煤灰作為水泥的替代材料，均可用于改變混凝土的微觀結構。由于粉煤灰中氧化鋁含量較高，粉煤灰改性混凝土具有較高的氯化物結合能力，而玻璃粉中堿含量較高[2]。玻璃粉對混凝土性能的影響仍然是一個有爭議的問題，部分學者認為玻璃粉的SiO2含量最高，是發生火山灰效應的原因，Na2O 是玻璃粉的第二大成分，是堿硅酸反應的原因，但其他學者指出，火山灰效應和堿硅酸反應都是由于玻璃粉的粒徑大小決定的[3]。

本文采用納米級玻璃粉和粉煤灰替代水泥制備混凝土，通過對混凝土工作性、力學性能和堿硅酸反應測試納米玻璃粉和粉煤灰對混凝土性能的影響。

2 材料與方法

2.1 材料

2.1.1 膠凝材料

本研究使用的廢玻璃為鈉鈣玻璃。采用自上向下的方法將玻璃粉碎、研磨成平均粒徑為100nm 的納米粉末，并進行適當的混合，以確保在混凝土混合物中不存在較大尺寸的顆粒。本研究采用符合GBl75-1999《硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥》的普通硅酸鹽水泥。普通硅酸鹽水泥(P.O42.5) 從本地的水泥加工廠獲得，粉煤灰(FA)是煤燃燒的副產品，通過對發電廠燃燒的廢料進行粉碎獲得。普通硅酸鹽水泥、粉煤灰和納米玻璃粉的化學成分如表1 所示。

表1 水泥、粉煤灰和納米玻璃粉的化學成分（wt%）

2.1.2 細骨料和粗骨料

采用天然河砂作為細骨料，碎石灰石作為粗骨料。河砂的比重為2.68，吸水率為2.12%，碎石灰石的比重為2.61，吸水率為1.79%。兩種骨料的篩分析的結果見圖1。

圖1 天然骨料的篩分析結果

2.1.3 外加劑

采用高效減水劑聚羧酸醚(PCE)來改善地聚物混凝土的和易性。

2.2 混凝土配合比

本研究考慮了三種混合材料，作為在混凝土中使用納米玻璃粉作為火山灰材料的初步研究。第一種混合料為對照組，水泥用30%的粉煤灰替代，第二種混合料中水泥用15%的粉煤灰和15%的納米玻璃粉替代，第三種混合料不使用粉煤灰，僅用納米玻璃粉替代30%的水泥。研究了粉煤灰和納米玻璃粉替代部分水泥對混凝土性能的影響。試驗配合比按照JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規程》配比。將表面干燥的細骨料和粗骨料倒入攪拌機中，充分混合，然后加入一部分水和一定量的外加劑。在攪拌過程中加入水泥、粉煤灰、納米玻璃粉和剩余的水。所有材料都已加入后，攪拌混凝土3min，以保證混凝土所有材料混合均勻。三組混凝土的配合比如表2 所示。

表2 混凝土的配合比(kg/m3)

2.3 試驗方法

2.3.1 工作性測試

對三種混凝土混合料的拌合物性能進行了測定和比較。根據GB50164-2011《混凝土質量控制標準》測試坍落度來衡量混凝土拌合物的工作性，并測量了凝結硬化后的空氣含量。

2.3.2 力學性能測試

進行的力學性能試驗包括抗壓強度、劈裂拉伸強度和彎曲強度。按照GB/T50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，在濕潤養護后的第7 天、第14 天和第28 天齡期，通過萬能試驗機對直徑100mm×高200mm 圓柱體試樣進行了抗壓強度測試。每種混凝土制備三個試件，取三次測試值的平均值作為混凝土的抗壓強度。同樣，在濕潤養護后的第7 天、第14 天和第28 天齡期，對直徑100mm×高200mm 圓柱體試樣進行了劈裂抗拉強度測試。在濕潤養護后的第28 天齡期，對長550mm×寬150mm×高150mm 的混凝土梁進行抗彎強度試驗。試樣在垂直于澆注方向的面上加載。持續施加載荷直到斷裂，測量并記錄斷裂的位置。采用簡單梁彎曲方程計算混凝土的斷裂模量。

2.3.3 堿硅酸反應試驗

堿硅酸反應試驗按照我國《水工砼試驗規程》中“骨料堿活性檢驗(砂漿長度法)”進行。澆筑尺寸為25mm×25mm×285mm 的棱形試件，試件按照表2 中膠凝材料的比例，由水膠比為0.45 的砂漿制成。用鋼模具制備棱柱, 用塑料和可拆卸的膠帶覆蓋，在25±2℃的溫度和95%的相對濕度的潮濕房間固化24 小時。脫模后用數字長度比較器測量初始長度。然后將試件保存在氫氧化鈉溶液中。在第14 天和28 天取出測量長度。記錄試樣的長度并計算膨脹量，以初始長度作為參考長度。堿硅酸反應試驗取三個試件的平均值作為最終結果。

3 結果和討論

3.1 混凝土的工作性

本研究測量的兩個工作性是流動性和空氣含量。采用坍落度試驗測定混凝土的流動性。三種混凝土的坍落度值見圖2。可以看出，S2的坍落度在三種混凝土混合料中最高。納米玻璃粉的顆粒有棱角，粉煤灰顆粒呈球形。這些顆粒的形狀導致混凝土混合物不同的流動性。球形顆粒在混凝土混合物內可充當球軸承，通過減少混凝土混合物內的摩擦力產生潤滑效果。相比之下，納米玻璃粉有棱角，吸水能力低，表面積大，表面光滑。兩種顆粒之間的相互作用影響了混凝土混合物的流動性。雖然粉煤灰顆粒呈球形，具有提高流動性的能力，但它們會吸收混凝土混合物中的部分水分，減少潤滑所需的水分，從而降低流動性。需要注意的是，當粉煤灰摻量較高時，坍落度降低。相比之下，具有較低吸水率的納米玻璃粉末由于其形狀而降低了流動性。與僅含粉煤灰(30%)和僅含納米玻璃粉(30%)的混凝土混合物相比，同時摻有粉煤灰(15%)和納米玻璃粉(15%)的混凝土混合物表現出最好的工作性。

圖2 混凝土的坍落度

如圖3 所示，S1和S3的空氣含量幾乎相同。粉煤灰和納米玻璃粉增加的和易性破壞了混凝土中的氣孔，這一點在S2中表現很明顯，S2的和易性最好，但空氣含量最低。此外，粉煤灰和納米玻璃粉中未燃燒的碳吸附引氣劑，從而減少了混凝土中的空氣含量。為了增加混凝土中的空氣含量，建議在不降低工作性的前提下，增加引氣劑的用量。

圖3 混凝土的空氣含量

3.2 混凝土的力學性能

三種混凝土不同齡期的抗壓強度結果見圖4。以S1作為對照組，S2和S3的早期的抗壓強度較高。在水泥發生水化反應的第一階段(水泥與水的反應)，產生了水合硅酸鈣和氫氧化鈣。在第二階段，粉煤灰和納米玻璃粉中的二氧化硅與氫氧化鈣反應產生額外的水合硅酸鈣，這將會產生更致密的微觀結構。如圖5 所示，S1和S3在7 天齡期的抗壓強度較低。早期強度的損失可能是由于用粉煤灰和納米玻璃粉替代水泥而減少了水泥總量，水化反應速度較慢，粉煤灰和納米玻璃粉混合空氣含量較低，較為致密，因此S2的抗壓強度略高于S1和S3。納米玻璃粉末和粉煤灰的火山灰效應使混凝土抗壓強度有所提高。由于粉煤灰和納米玻璃粉的火山灰作用以及納米玻璃粉的細度和混凝土結構的致密化，S2在第28 天齡期抗壓強度最高。從S3的抗壓強度可以看出，增加混凝土混合物中納米玻璃粉的百分比會導致抗壓強度降低。

圖4 混凝土不同齡期的抗壓強度

圖5 混凝土不同齡期的抗拉強度

混凝土在不同齡期的劈裂抗拉強度見圖5，可以看出，混凝土不同齡期的抗拉強度變化規律與混凝土的抗壓強度類似。S2在不同齡期的抗拉強度均高于S1和S3。在28 天齡期時，S2和S3的抗拉強度均高于對照組S1。

采用四點彎曲試驗測定混凝土在28 天齡期的抗彎強度。之所以選擇四點彎曲，是因為在三點彎曲中，僅在跨中施加一個集中荷載，導致跨中彎矩為最大值，彎矩分布不均勻，達不到試驗效果，而四點彎曲作用有兩個對稱的集中荷載，荷載之間的彎矩均勻分布，試驗結果較為準確。

混凝土在28 天齡期的抗彎強度結果見圖6。可以看出，與混凝土的抗拉強度和抗壓強度的結果相似，三組混凝土中，S2具有最高的抗彎強度。納米玻璃粉末產生的火山灰效應提高了混凝土的抗壓強度、抗拉強度和抗彎強度。但是，當納米玻璃粉末含量超過15%時，混凝土的抗壓強度、抗拉強度和抗彎強度下降，可能是由于納米玻璃粉的顆粒聚集，在混合過程中顆粒不能均勻分散。納米玻璃粉的顆粒堆積影響了混凝土的微觀結構。

圖6 混凝土28 天齡期的抗彎強度

3.3 堿硅酸反應

堿硅酸反應可以確定補充膠凝材料與骨料之間的適配性。堿硅酸反應試驗結果見圖7，S1在第14 天和第28 天膨脹率最低，分別為0.037%和0.058%。砂漿棒的膨脹率隨著納米玻璃粉含量的增加而增大，但最大膨脹率為0.079%。根據《水工砼試驗規程》中“骨料堿活性檢驗(砂漿長度法)”給出的參考，堿硅酸反應在第14 天的膨脹率應小于0.1%。因此，S2和S3的膨脹率仍小于閾值。

圖7 堿硅酸反應試驗結果

4 結論

本文研究采用納米玻璃粉和粉煤灰部分替代水泥對混凝土性能的影響。在納米玻璃粉的質量替代率分別為0%、15%和30%，粉煤灰的質量替代率對應為30%、15%和0%的條件下，測試了混凝土的工作性和力學性能以及潛在的堿硅酸反應引起的膨脹。試驗結果表明：

(1)同時摻有粉煤灰(15%)和納米玻璃粉(15%)的混凝土混合物表現出最好的工作性，粉煤灰和納米玻璃粉增加的流動性能夠破壞混凝土中的氣孔，導致混凝土的空氣含量最低。

(2) 隨著納米玻璃粉含量的增加，混凝土的抗壓強度、抗拉強度和彎曲強度均呈先增加后減小的變化，同時摻有粉煤灰(15%)和納米玻璃粉(15%)的混凝土力學性能最佳。

(3)隨著納米玻璃粉含量的增加，堿硅酸反應引起的膨脹也隨之增加，但整體不超過閾值，增加納米玻璃粉的含量不會顯著影響有害的膨脹。