納米SiO2改性水泥混凝土抗鹽凍性能研究

孫琳

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510507)

水泥混凝土由于其較高的承載能力及安全舒適等特點(diǎn)成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣的路用材料，然而其具有低抗彎拉強(qiáng)度、高剛度及高脆性等不足，使其服役期間經(jīng)常出現(xiàn)斷裂等破壞，嚴(yán)重影響其使用功能及服役壽命。近年來(lái)納米材料應(yīng)用越來(lái)越廣，逐漸被廣大道路研究者應(yīng)用于道路材料中。納米SiO2由于其物理填充作用、優(yōu)越的穩(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性及更為徹底的火山灰效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況展開(kāi)了大量研究。

納米SiO2應(yīng)用于混凝土中其微觀結(jié)構(gòu)、水化性能、力學(xué)性能均有明顯的提高。納米SiO2可以促進(jìn)混凝土水化，并在水化早期與Ca(OH)2迅速發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成更為穩(wěn)定的C-S-H凝膠，且在摻量為0.25%～3%時(shí)其誘導(dǎo)水化反應(yīng)進(jìn)程速度更快。Salkhordeh等及Hosseini等均發(fā)現(xiàn)納米SiO2的摻入可極大提高混凝土的抗壓強(qiáng)度,10%摻量水平可提升約64.86%的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度。同時(shí)納米SiO2對(duì)混凝土的抗彎拉強(qiáng)度及疲勞壽命亦有大幅度提升，李朋飛等研究發(fā)現(xiàn)，0.75%摻量水平下，其改性混凝土抗彎拉強(qiáng)度可提升7.4%以上，同時(shí)在0.75、0.80、0.85的應(yīng)力水平下，混凝土疲勞壽命可分別提升48.4%、48.6%、68.6%。此外，徐晶等采用納米壓痕技術(shù)對(duì)納米SiO2改性混凝土界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)進(jìn)行表征，并建立了分析模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米SiO2由于其自身的物理填充作用及火山灰效應(yīng)產(chǎn)物，極大填充了混凝土內(nèi)部微孔，并主要提高了ITZ的力學(xué)強(qiáng)度，可提高60%ITZ與漿體之間的模量，明顯改善ITZ的微觀結(jié)構(gòu)。

納米SiO2改性混凝土具有更好的微觀結(jié)構(gòu)、水化性能、力學(xué)性能，然而水泥混凝土路面服役過(guò)程中往往由于溫度、水分、鹽離子等影響而受到凍融破壞，因此，納米SiO2改性混凝土能否具有良好的應(yīng)用前景，其抗鹽凍融循環(huán)性能至關(guān)重要，目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此研究尚且不足?；诖?，該文將以單位面積剝蝕量及相對(duì)動(dòng)彈模量為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)納米SiO2改性混凝土進(jìn)行抗鹽凍試驗(yàn)，同時(shí)利用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并以斷裂韌度及斷裂能為參數(shù)，評(píng)價(jià)其經(jīng)受鹽凍循環(huán)后的性能損失，最后以試驗(yàn)結(jié)果建立鹽凍融循環(huán)損傷回歸方程。研究結(jié)果將對(duì)納米SiO2改性混凝土實(shí)際工程的施工及凍融損傷預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用P.O.42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能如表1所示；粗集料采用粒徑為4.75～9 mm及9.5～19 mm的反擊破花崗巖碎石，表觀密度為2.71 g/cm3，其最大堆積密度時(shí)混合比例為1∶4；細(xì)集料為細(xì)度模數(shù)為2.70的河砂，含泥量為0.62%，表觀密度為2.63 g/cm3；減水劑為JB-ZSC型聚羧酸高性能減水劑，減水率為26%，含氣量為3.1%。納米SiO2(NS)采用固體粉末狀，參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中以基準(zhǔn)水膠比W/B=0.31的C40混凝土為載體，新拌混凝土坍落度在36～44 mm范圍內(nèi)波動(dòng)，滿足JTG F30-2003《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》中25～50 mm的要求，其7、28 d抗彎拉強(qiáng)度分別為5.43、6.52 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為49.72 MPa，試驗(yàn)中納米SiO2摻量為水泥質(zhì)量的0.5%(2#)、1.0%(3#)、1.5%(4#)、2.0%(5#)、2.5%(6#)。具體配合比如表3所示。

表2 納米SiO2參數(shù)指標(biāo)

表3 混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)表3配合比制作100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件，借鑒美國(guó)ASTM C672-2003規(guī)范中的凍融循環(huán)升降溫制度(慢凍法)采用整體受凍方法對(duì)納米SiO2改性混凝土進(jìn)行抗鹽凍試驗(yàn)，并根據(jù)GBJ 82-85《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》以單位面積剝蝕量、相對(duì)動(dòng)彈模量及斷裂特征參數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

試件成型并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 d后，在4%的NaCl溶液中浸泡至28 d，開(kāi)始進(jìn)行試件初始質(zhì)量、動(dòng)彈模量及斷裂特征參數(shù)測(cè)試，然后對(duì)試件進(jìn)行凍融循環(huán)，以(-17±2.8) ℃的低溫試驗(yàn)箱內(nèi)凍結(jié)16～18 h及常溫(23±1.7) ℃中融化6～8 h為一次循環(huán)，每10次凍融循環(huán)后測(cè)試試件質(zhì)量、動(dòng)彈模量及斷裂特征參數(shù)。

研究以斷裂韌度及斷裂能為斷裂特征參數(shù)，采用MTS-810萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試斷裂性能，加載速度為0.02 mm/min，并在測(cè)試前于試件跨中底部預(yù)制1 cm深、1～2 mm寬的裂縫，以保證加載過(guò)程中裂紋朝同一方向擴(kuò)展，同時(shí)利用高精度夾式引伸計(jì)獲得試件的F-CMOD(裂縫開(kāi)口位移曲線)，并通過(guò)計(jì)算確定混凝土的斷裂韌度KIC及斷裂能Gf。

2 結(jié)果與分析

2.1 單位剝蝕量及相對(duì)動(dòng)彈模量

圖1為鹽凍融循環(huán)后納米SiO2改性混凝土單位面積剝蝕量及相對(duì)動(dòng)彈模量測(cè)試結(jié)果。

由圖1可見(jiàn)：在鹽凍融循環(huán)條件下，納米SiO2的摻入，使得混凝土單位面積剝蝕量有了明顯的降低，在凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，納米SiO2改性混凝土未顯示出較優(yōu)的抗凍性能，其單位面積剝蝕量與基準(zhǔn)組混凝土大致相近，然而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，摻入納米SiO2組混凝土表現(xiàn)出優(yōu)良的抗凍性能，其單位面積剝蝕量較未摻加組混凝土顯著減小，同時(shí)，納米SiO2摻量的增加對(duì)混凝土單位面積剝蝕量的影響并不顯著，其降低效果僅隨著摻量的增加有稍許的提高，并在摻量高于2.0%后有些許下降。經(jīng)歷40次鹽凍融循環(huán)后，2.0%摻量下4#組混凝土單位面積剝蝕量降低效果最顯著，較基準(zhǔn)組減少近70%。60次鹽凍融循環(huán)后，2#～6#組納米SiO2改性混凝土單位面積剝蝕量分別比基準(zhǔn)組低37.5%、39.86%%、45.5%、49.4%、47.6%。由相對(duì)動(dòng)彈模量測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)：納米SiO2對(duì)鹽凍融后混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量亦有較大提升，隨著鹽凍融次數(shù)的增加，納米SiO2對(duì)其改善效果越顯著，且隨著納米SiO2摻量的增加，其提升效果表現(xiàn)出先增大后減少的現(xiàn)象。60次鹽凍融循環(huán)后，2.0%納米SiO2摻量下，其改性混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量可較基準(zhǔn)組混凝土提高24.2%，而2.5%納米SiO2摻量?jī)H可提升21.8%。

圖1 納米SiO2改性混凝土抗鹽凍性能試驗(yàn)結(jié)果

納米SiO2摻入后，在混凝土內(nèi)部參與水化反應(yīng)，并與Ca(OH)2反應(yīng)，可增大C-S-H凝膠含量，增加混凝土結(jié)構(gòu)致密性，減少混凝土內(nèi)部孔隙數(shù)量，從而切斷外界水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道，進(jìn)而對(duì)混凝土抗鹽凍融循環(huán)能力有明顯提升作用。

2.2 斷裂韌性損失率

借鑒美國(guó)ASTM規(guī)范，利用混凝土F-CMOD曲線進(jìn)行斷裂韌度計(jì)算，如式(1)、(2)所示。其中30次鹽凍融循環(huán)后納米SiO2改性混凝土F-CMOD曲線如圖2所示。納米SiO2改性混凝土20、30次鹽凍融循環(huán)后斷裂韌度損失率如圖3所示。

(1)

(2)

式中：KIC為斷裂韌度(MPa·m1/2)；Fmax為試驗(yàn)最大荷載(N)；S為試件的跨度(mm)；h為試件高度(mm)；t為試件寬度(mm)；a為預(yù)裂縫深度(mm)。

圖2 30次鹽凍融循環(huán)后納米SiO2改性

圖3 納米SiO2改性混凝土斷裂韌度損失率

由圖2、3可知：納米SiO2可參與混凝土內(nèi)部水化，提高其水化程度，從而改善混凝土抗裂性能，減緩混凝土開(kāi)裂進(jìn)程，并增大混凝土斷裂時(shí)的最大撓度。因此，納米SiO2可明顯提高混凝土凍融循環(huán)后的斷裂極限荷載，且其改善效果存在最佳摻量值。30次鹽凍融循環(huán)后，2.0%摻量水平下其改性混凝土斷裂極限荷載最大可提升將近1倍，同時(shí)1.5%摻量水平下納米SiO2可有效延緩混凝土的開(kāi)裂時(shí)間。此外，在20次及30次鹽凍融循環(huán)條件下，摻入納米SiO2后，混凝土的斷裂韌度損失率均明顯降低，且隨著摻量的增加，其改性混凝土斷裂韌度損失率表現(xiàn)出先降低后有所增大的趨勢(shì)，在20、30次鹽凍融循環(huán)下，2.0%納米SiO2摻量組斷裂韌度損失率較基準(zhǔn)組可分別減小27.4%、29.5%?？傮w來(lái)說(shuō)，納米SiO2對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)的細(xì)化等改善作用，可有效減少外界離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而降低混凝土所受侵蝕，同時(shí)納米SiO2對(duì)混凝土內(nèi)部界面過(guò)渡區(qū)的增強(qiáng)，可減少凍融微裂紋的產(chǎn)生，因此，納米SiO2可顯著提高混凝土鹽凍融循環(huán)后的斷裂韌度損失率。

2.3 斷裂能衰減

斷裂能是指試件從承受荷載作用開(kāi)始直至斷裂時(shí)，外力對(duì)試件單位面積物體所做的功，其計(jì)算公式如式(3)所示。納米SiO2改性混凝土經(jīng)受鹽凍融循環(huán)后的斷裂能損失率如圖4所示。

圖4 納米SiO2改性混凝土斷裂能損失率

(3)

式中：Gf為斷裂能(N/m)；W0為荷載-位移曲線所圍面積(N·mm)；m為支座間試件的質(zhì)量(kg)；g為重力加速度，取9.8 m/s2；δ0為跨中最大位移(mm)；Alig為韌帶面積(mm2)；a0為試件預(yù)裂縫深度(mm)；b為試件寬度(mm)；h為試件高度(mm)。

由圖4可知:除20次鹽凍融循環(huán)條件下0.5%、2.5%摻量外，納米SiO2改性混凝土經(jīng)受鹽凍融循環(huán)后的斷裂能損失率均明顯低于基準(zhǔn)組混凝土，且呈現(xiàn)出隨著摻量的增加先減小后增大的趨勢(shì)。20次鹽凍融循環(huán)條件下，1.5%摻量水平下，納米SiO2改性混凝土斷裂能損失率僅為24.7%，較基準(zhǔn)組減少6.2%；30次鹽凍融循環(huán)條件下，2.0%摻量水平下，納米SiO2改性混凝土斷裂能損失率僅為35.1%，較基準(zhǔn)組減少10.9%。因此可見(jiàn)，納米SiO2對(duì)混凝土經(jīng)受鹽凍融循環(huán)后斷裂能損失率的改善作用存在最佳摻量，且最佳摻量為1.5%～2.0%。分析原因?yàn)榛鶞?zhǔn)組混凝土中的水泥石-骨料界面過(guò)渡區(qū)普遍存在Ca(OH)2板狀晶體富集、定向排列的現(xiàn)象，該區(qū)域材料水膠比較高且孔隙較多，在承受荷載時(shí)裂縫常沿著界面過(guò)渡區(qū)迅速擴(kuò)展。當(dāng)摻入納米SiO2后，納米SiO2與Ca(OH)2反應(yīng)，降低Ca(OH)2晶體的存在數(shù)量，避免Ca(OH)2晶體定向排列，并增加水化產(chǎn)物C-S-H凝膠體的生成數(shù)量，使界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)更加密實(shí)堅(jiān)固，從而增大凍后斷裂能并減小凍后斷裂能損失率。

2.4 鹽凍融損傷回歸方程

為確立納米SiO2改性混凝土抗鹽凍性能影響因素與各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)(單位面積剝蝕量Qs、相對(duì)動(dòng)彈模量P、斷裂韌度損失率DKIC以及斷裂能損失率DGf)之間的定量關(guān)系，在前述抗鹽凍性能試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用多元回歸分析方法，以納米SiO2摻量M及凍融次數(shù)N為自變量，建立W/B=0.31時(shí)納米SiO2改性混凝土鹽凍融損傷回歸方程，從而為其耐久性設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

采用Origin數(shù)據(jù)分析軟件將M和N兩因素對(duì)路面混凝土Qs、P、DKIC以及DGf的影響進(jìn)行多元回歸分析，分別得到式(4)～(7)中的鹽凍融損傷回歸方程，相應(yīng)回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

Qs=-25.724M+257.248M2+0.074N+2.692

(4)

P=62.756M-496.254M2-0.492N+126.981

(5)

DKIC=-759.638M+8 592.142M2+1.985N+16.952

(6)

DGf=79.128M-3 924.851M2+1.587N+13.657

(7)

表4中抗鹽凍指標(biāo)Qs、P、DKIC、DGf對(duì)應(yīng)的F值分別為86.917、9 856.721、129.958以及612.572，均大于F(α=0.05)(5，11)=4.704。此外，式(4)～(7)回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.850，說(shuō)明在W/B=0.31時(shí)，納米SiO2改性混凝土單位面積剝蝕量、相對(duì)動(dòng)彈模量、斷裂韌度損失率以及斷裂能損失率與其摻量、凍融次數(shù)之間存在較為顯著的數(shù)學(xué)關(guān)系，式(4)～(7)能夠較精確地對(duì)納米SiO2改性混凝土的抗鹽凍性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

(1) 納米SiO2的摻入可促進(jìn)水化反應(yīng)，有效改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，其改性混凝土表現(xiàn)出優(yōu)良的抗鹽凍性能，且隨著納米SiO2摻量的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。納米SiO2改性混凝土經(jīng)受鹽凍融循環(huán)后單位面積剝蝕量較基準(zhǔn)組最大可減少70%左右，相對(duì)動(dòng)彈模量較基準(zhǔn)組可提高24.2%。

(2) 納米SiO2對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)的細(xì)化及對(duì)混凝土內(nèi)部界面過(guò)渡區(qū)的增強(qiáng)等改善作用，可減少混凝土鹽凍融后微裂紋的產(chǎn)生，30次鹽凍融循環(huán)后，2.0%摻量水平下其改性混凝土斷裂極限荷載最大可提升將近1倍，可顯著提高混凝土鹽凍融循環(huán)后的斷裂韌度損失率，最大可提升29.5%。

表4 回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(3) 納米SiO2與Ca(OH)2反應(yīng)，增加水化產(chǎn)物C-S-H凝膠體的生成數(shù)量，使界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)更加密實(shí)堅(jiān)固，從而增大凍后斷裂能并減小凍后斷裂能損失率，且納米SiO2存在最佳摻量范圍。

(4)W/B=0.31時(shí)，納米SiO2改性混凝土單位面積剝蝕量、相對(duì)動(dòng)彈模量、斷裂韌度損失率以及斷裂能損失率與其摻量、凍融次數(shù)之間存在較為顯著的數(shù)學(xué)關(guān)系，能夠較精確地對(duì)納米SiO2改性混凝土的抗鹽凍性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。