吳 昊,王正君,陳 茜,時(shí)廷俊,葉昆河
(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院,哈爾濱 150080;2.黑龍江大學(xué)寒區(qū)水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150080)
在建筑工程中,混凝土是一種適應(yīng)性較強(qiáng)的建筑材料,混凝土的引入將這一工程領(lǐng)域的技術(shù)提升到了最大程度?,F(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,這對(duì)混凝土提出了更高的要求,而混凝土的設(shè)計(jì)則會(huì)影響混凝土的性能和品質(zhì),這直接影響到建筑物的安全性。要提高混凝土的性能,可以從改變混凝土的組成入手。
近年來,由于納米級(jí)粒子的各種應(yīng)用,納米技術(shù)引起了巨大的關(guān)注,納米技術(shù)成為材料科學(xué)的新途徑。納米技術(shù)的基礎(chǔ)是合成具有特定特性的納米顆粒,用于工業(yè)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等不同的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)研究,納米顆粒因其特殊的納米尺寸結(jié)構(gòu),從而具備一定的火山灰活性,對(duì)混凝土性能有一定的改善作用,可以作為混凝土改性材料使用,為水泥基復(fù)合材料帶來獨(dú)特的性能提升。納米材料的使用可能導(dǎo)致傳統(tǒng)建筑材料發(fā)展取得新突破,納米技術(shù)被認(rèn)為是最有前途的研究領(lǐng)域之一,可以顯著提高水泥基材料的配合比設(shè)計(jì)與性能。
張鵬等[1]發(fā)現(xiàn)納米SiO2能夠提高混凝土復(fù)合材料的抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉彈性模量,其最優(yōu)摻量為5.0%,但會(huì)降低混凝土拌和物的坍落擴(kuò)展度。李子成等[2]探析了α相納米Al2O3對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)α相納米Al2O3具有積極作用,并且對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的提升更為明顯。張茂花等[3]發(fā)現(xiàn)摻加納米CaCO3可以提高混凝土的抗硫酸鹽腐蝕力,且納米CaCO3摻量為1.0%時(shí),改善效果最明顯。Ren J G等研究了納米SiO2和納米TiO2對(duì)混凝土孔隙特性的影響,結(jié)果表明,在3.0%的最佳摻量下,納米SiO2和納米TiO2分別可使混凝土砌塊的孔隙率降低15.6%和3.5%,水泥砂漿的孔隙率降低34.7%和16.6%,從而提高抗壓強(qiáng)度。Hamed N等研究了納米黏土分散體對(duì)混凝土強(qiáng)度性能的影響,結(jié)果表明,納米黏土能夠致密水泥基體,增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能,并且納米黏土替代水泥的最佳比例為7.5%。
目前,對(duì)于納米SiO2、納米CaCO3等納米材料在混凝土中的應(yīng)用研究較多,但是關(guān)于納米Al2O3在混凝土中的表現(xiàn)的研究相對(duì)較少。納米Al2O3是一種無機(jī)物,分為α、β、γ等十一種晶型,當(dāng)前研究用于混凝土中的納米Al2O3有α相和γ相。α相納米Al2O3比表面積較低,幾乎沒有催化活性,不屬于活性氧化物;γ相納米Al2O3比表面積大,具有高活性,屬于活性氧化物。本試驗(yàn)將γ相納米Al2O3(以下簡(jiǎn)稱γ-NA)以質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比替代水泥,添加到混凝土材料中,制備γ-NA改性混凝土試塊,并養(yǎng)護(hù)3d,7d,14d和28d,對(duì)其進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)并建立立方體抗壓強(qiáng)度-劈裂抗拉強(qiáng)度回歸曲線方程,同時(shí)進(jìn)行掃描電子顯微鏡檢測(cè)(SEM),分析γ-NA在混凝土中的作用效果,探究γ-NA在建筑材料領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。
本次試驗(yàn)所用γ相納米Al2O3來自上海麥克林生化科技有限公司,白色粉末狀,不溶于水但在水中易分散,納米Al2O3理化特性,見表1。
表1 納米Al2O3理化特性
材料要求為:①水泥:采用黑龍江省天鵝牌P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,其粒徑分布和主要化學(xué)成分指標(biāo),水泥的粒徑分布,見圖1;水泥化學(xué)組成成分,見表2;②粗骨料:10-31 mm碎石;③細(xì)骨料:黑龍江省雙城區(qū)河砂,經(jīng)過篩分試驗(yàn)符合中砂條件,細(xì)度模數(shù)2.50;④水:采用實(shí)驗(yàn)室自來水。
圖1 水泥的粒徑分布
基準(zhǔn)組采用配合比石∶砂∶水泥∶水=1 177.43∶587.56∶436.46∶198.55,試驗(yàn)組保持膠凝材料總量與基準(zhǔn)組相同,γ-NA分別以膠凝材料質(zhì)量的1.5%、3.0%、4.5%等量取代水泥,配合比見表3所示。給各組試件進(jìn)行編號(hào),JZ表示基準(zhǔn)組普通混凝土,γ-NAC表示摻入γ-NA的改性混凝土,1.5、3.0、4.5則分別表示γ-NA的摻量為水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1.5%、3.0%和4.5%。
試驗(yàn)前,先將γ-NA加入到部分拌和用水中充分?jǐn)嚢?。攪拌混凝土?xí)r先投入石、砂和水泥,干拌均勻,之后加入水?dāng)嚢?0 s,最后加入γ-NA水分散液攪拌1.5 min,澆筑振實(shí)。本次試驗(yàn)參照GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[4]。制作邊長(zhǎng)為100 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件,放置24 h后脫模,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)3d、7d、14d和28d,養(yǎng)護(hù)完成后取出試件,用DYE-2 000型數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),用Regulus 8 220型掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀掃描。
普通混凝土與摻入γ-NA的混凝土試塊的立方體抗壓強(qiáng)度,不同摻量γ-NA對(duì)混凝土隨齡期發(fā)展的抗壓強(qiáng)度的影響,見圖2。
表2 水泥化學(xué)組成成分
表3 混凝土配合比
圖2 不同摻量γ-NA對(duì)混凝土隨齡期發(fā)展的抗壓強(qiáng)度的影響
圖中可以看出,混凝土中摻入γ-NA后,其抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了較為明顯的增長(zhǎng),在所有齡期內(nèi),γ-NAC組混凝土的強(qiáng)度均高于JZ組混凝土,γ-NA對(duì)混凝土的強(qiáng)度表現(xiàn)出有利的影響。在γ-NA摻量<3.0%時(shí),混凝土試塊的強(qiáng)度與γ-NA的摻量呈正相關(guān)趨勢(shì),表現(xiàn)出強(qiáng)度隨著γ-NA摻量的增長(zhǎng)而增長(zhǎng);而當(dāng)γ-NA的摻量從3.0%增加到4.5%時(shí),除了3d齡期時(shí)的混凝土強(qiáng)度稍有增長(zhǎng)外,7-28d齡期內(nèi)的混凝土強(qiáng)度都出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這表明γ-NA的摻量不宜過多,在3.0%時(shí)對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度的改性效果最優(yōu)。當(dāng)摻量在3.0%時(shí),3d齡期改性混凝土抗壓強(qiáng)度較普通混凝土增長(zhǎng)了32.53%,7d齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)了31.92%,14d齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)了18.99%,28d齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)了15.99%。
一方面,這是因?yàn)棣?NA具有較強(qiáng)的火山灰活性,能夠促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)程度,生成C-S-H(水化硅酸鈣凝膠)和C-A-H(水化鋁酸鈣凝膠),同時(shí)細(xì)化雜質(zhì)Ca(OH)2,從而提高混凝土的強(qiáng)度;另一方面,γ-NA還可以填充混凝土內(nèi)部空孔隙,使水泥基更加致密。但是γ-NA具有較大的表面積,從而表面能較高,當(dāng)摻量超過3.0%時(shí),γ-NA會(huì)在水泥內(nèi)部形成團(tuán)聚,造成混凝土內(nèi)部形成缺陷,從而降低強(qiáng)度。在3d齡期時(shí),混凝土水化程度較低,較多的γ-NA能夠提高水泥水化的程度,而γ-NA團(tuán)聚造成的影響相對(duì)不明顯,所以4.5%摻量的γ-NA效果最好;當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期到7d之后時(shí),混凝土的水化程度已經(jīng)較高,4.5%摻量的γ-NA形成的團(tuán)聚造成的缺陷已經(jīng)開始不利于強(qiáng)度的發(fā)展,導(dǎo)致強(qiáng)度有所下降。
普通混凝土與摻入γ-NA的混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度,不同摻量γ-NA對(duì)混凝土隨齡期發(fā)展的劈裂抗拉強(qiáng)度的影響,見圖3。
圖3 不同摻量γ-NA對(duì)混凝土隨齡期發(fā)展的劈裂抗拉強(qiáng)度的影響
圖中顯示,在混凝土中摻入γ-NA后,其劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)同樣顯著。在γ-NA摻量<3.0%時(shí),混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著γ-NA摻量的增長(zhǎng)而增長(zhǎng),但隨著摻量的增加,其劈裂抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩。而當(dāng)γ-NA的摻量增加到4.5%時(shí),雖然在7d與28d齡期時(shí)強(qiáng)度較3.0%摻量的混凝土稍有增長(zhǎng),但漲幅已經(jīng)不明顯,只增長(zhǎng)了2.76%與0.27%,并且在28d齡期時(shí)有較大回落,降低了5.71%,整體強(qiáng)度有下降的趨勢(shì)。
由于納米材料的高表面能,γ-NA的摻量越高,對(duì)于拌和工藝的要求也越高,綜合其在抗壓強(qiáng)度中的表現(xiàn),可以得出γ-NA摻量在3.0%時(shí)對(duì)于混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度有著最有利的影響。當(dāng)摻量在3.0%時(shí),3d齡期改性混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度較普通混凝土增長(zhǎng)了38.73%,7d齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)了46.19%,14d齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)了29.89%,28d齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)了25.16%。
使用強(qiáng)度比可以更直觀地體現(xiàn)出γ-NA摻量對(duì)混凝土前后期強(qiáng)度增長(zhǎng)速率的影響,強(qiáng)度比為同齡期下不同摻量γ-NA的試件強(qiáng)度與基準(zhǔn)組試件的強(qiáng)度之比,7d與28d抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度比,γ-NA摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度比的影響,見圖4;γ-NA摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度比的影響,見圖5。
圖4 γ-NA摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度比的影響
圖5 γ-NA摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度比的影響
圖中可以看出,混凝土中摻加γ-NA后,隨著齡期的增加,其抗壓強(qiáng)度比與劈裂抗拉強(qiáng)度比都出現(xiàn)了不同程度的降低,這說明γ-NA對(duì)提高混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展速率較為有利,而對(duì)后期強(qiáng)度發(fā)展速率的影響較前期有所減弱。這是因?yàn)棣?NA在前期就參與到了水泥的水化進(jìn)程中,起到了明顯的效果,養(yǎng)護(hù)后期γ-NA含量減少,所以效果有所下降。
混凝土屬于脆性材料,若脆性過高,混凝土容易發(fā)生脆裂,形成安全隱患。拉壓比指劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值,是一個(gè)重要的韌性指標(biāo),拉壓比越大,混凝土的脆性越低,抵抗脆裂能力越好[5-7]。通過分析28d養(yǎng)護(hù)齡期的γ-NA改性混凝土的拉壓比可以作為衡量γ-NA改性混凝土脆性指標(biāo)的一個(gè)重要的參考?;炷翐郊应?NA后,拉壓比隨摻量的變化,28d齡期時(shí)γ-NA摻量對(duì)混凝土拉壓比的影響,見圖6。
圖6 28d齡期時(shí)γ-NA摻量對(duì)混凝土拉壓比的影響
圖中可以看出,隨著γ-NA摻量的提高,拉壓比表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),在1.5-3.0%之間達(dá)到最大值。通過拉壓比變化規(guī)律可以看出,3.0%的γ-NA有利于提升混凝土的拉壓比,改善混凝土的脆性。分析其原因,這是因?yàn)棣?NA比表面積大,在其表面能夠鍵合大量C-S-H,相互膠結(jié)為一個(gè)整體,從而約束混凝土出現(xiàn)脆裂,減小混凝土的脆性。
混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度較易獲得,探索立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度間的相關(guān)關(guān)系并進(jìn)一步推導(dǎo)出相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式,對(duì)于預(yù)測(cè)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度,推進(jìn)γ-NA改性混凝土的使用具有重要的參考價(jià)值[8]。
根據(jù)上述試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果,利用SPSS軟件對(duì)3.0%摻量的γ-NA改性混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu和劈裂抗拉強(qiáng)度f(wàn)ts之間的相關(guān)性關(guān)系進(jìn)行回歸分析,得到其相關(guān)性函數(shù)關(guān)系式:
fts=0.121fcu0.912
(1)
回歸方程的擬合值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較接近,相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.989,說明得到的回歸方程足夠精確,立方體抗壓強(qiáng)度-劈裂抗拉強(qiáng)度回歸曲線,見圖7。
圖7 立方體抗壓強(qiáng)度-劈裂抗拉強(qiáng)度回歸曲線
根據(jù)以上試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果得出,3.0%摻量的γ-NA對(duì)混凝土能夠起到較為明顯的效果,而4.5%摻量的γ-NA會(huì)使混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生下降的趨勢(shì),為了分析其原因,僅對(duì)28d齡期的JZ組、γ-NAC3.0組和γ-NAC4.5組混凝土試樣進(jìn)行SEM掃描分析。
從SEM圖像可以看出JZ組混凝土水泥基略松散,整體性較差,空隙偏多,這對(duì)混凝土的強(qiáng)度有一定的影響;而γ-NAC3.0組混凝土生成了大量無定型狀的C-S-H和C-A-H,結(jié)構(gòu)變得更加致密,整體性較高,從而提升了混凝土的強(qiáng)度。而在圖c中,有明顯的γ-NA團(tuán)聚現(xiàn)象,這些“團(tuán)體”占用了原本屬于C-S-H的空間,C-S-H與C-A-H無法填充進(jìn)來,導(dǎo)致此處形成了缺陷,從而降低了混凝土的強(qiáng)度,這也與之前的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。
文章通過制備γ-NA改性混凝土,并分析其立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果以及SEM圖像,得出以下結(jié)論:
1)在混凝土中摻入γ-NA能夠有效提高混凝土的強(qiáng)度,并且當(dāng)摻量在3.0%以下時(shí),摻入γ-NA的混凝土試塊強(qiáng)度與γ-NA的摻量呈正相關(guān)趨勢(shì),摻量越大強(qiáng)度越高;而摻量超過3.0%時(shí),強(qiáng)度有下降趨勢(shì),所以最優(yōu)摻量為3.0%。
2)得出了γ-NA改性混凝土在最優(yōu)摻量3.0%時(shí)立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu與劈裂抗拉強(qiáng)度f(wàn)ts之間的回歸方程公式為fts=0.121fcu0.912。
3)摻量適中時(shí),γ-NA能夠起到促進(jìn)水泥水化的作用,生成更多的C-S-H以及C-A-H,并相互膠結(jié)水泥基材料,提高密實(shí)程度與整體性;而摻量過高時(shí),則會(huì)在混凝土內(nèi)部團(tuán)聚,形成缺陷,從而降低混凝土的強(qiáng)度。
4)適量的γ-NA還能夠提高混凝土的拉壓比,改善混凝土的脆性,提高抗脆裂性能;而對(duì)其提升抵抗脆裂性能的最優(yōu)摻量在1.5-3.0%之間。