基于納米顆粒的水利水電工程混凝土抗沖磨性試驗研究

趙東方

(鐵嶺市昌圖縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鐵嶺 112500)

水工建(構(gòu))筑物受含砂高速水流的沖磨作用是磨損破壞混凝土表面的重要因素，這也是水利工程普遍存在的一種病害，磨蝕破壞對工程的安全運行直接造成威脅，工程的修補耗資巨大[1-2]。一般地，有兩種途徑能夠有效防止和減輕水工混凝土磨蝕破壞：①盡量選用耐磨性較好的材料建設(shè)過流位置處的水工建(構(gòu))筑物；②盡量優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)和位置使過流位置的水流順直。研究表明，硅粉作為一種外加材料能夠有效提升混凝土抗沖耐磨性，將適量的硅粉摻入水工混凝土中能夠明顯改善其力學性能和抗沖耐磨能力。然而，拌合物用水量受硅粉摻量非常敏感，摻量過大將明顯增加漿料用水量以及水泥用量，這既提高了材料造價又突出了混凝土易開裂、干縮變形大的缺點。

納米材料作為一種新興的改性添加劑，因具有微觀效應、火山灰效應、界面效應、比表面積大等特質(zhì)被廣泛應用于混凝土性能優(yōu)化方面，為改善水工混凝土性能諸國內(nèi)諸多學者致力于納米材料的應用研究。因此，在延長材料使用壽命、防止干燥收縮、改善水工結(jié)構(gòu)力學性能等方面納米材料具有顯著的經(jīng)濟效益和廣闊的應用前景。研究表明，摻入玄武巖纖維、納米改性礦物添加劑和二氧化硅SiO2能夠提高材料的抗碳化性、抗?jié)B性、抗凍性、耐磨性和力學性能，而納米SiC和SiO2材料還能在一定程度上改善其抗彎性能，延長理論疲勞壽命。馮雪等探討了新鮮水泥漿的凝結(jié)時間和稠度受硅粉與納米SiO2的影響，結(jié)果顯示納米材料可以加速水泥漿水化過程，使水泥漿稠度變大，納米SiO2含量增大時混凝土抗壓強度的增長幅度低于其鍵合強度；范玉輝、黃征宇等研究發(fā)現(xiàn)，超高性能混凝土的力學性能隨納米材料添加量和應變率的增加而增大。目前，利用納米顆粒替代部分水泥摻入混凝土的研究越來越多，而對水工混凝土耐磨性受不同納米顆粒的影響研究還較少。因此，文章利用微量納米顆粒和中量超細粉煤灰制備水工混凝土，探討了不同納米顆粒含量對混凝土抗沖磨性的影響，并在此基礎(chǔ)上揭示了納米顆粒的作用機理，旨在為耐沖磨、高強度水工混凝土設(shè)計提供實踐參考[3-4]。

1 試驗方法

1.1 原材料準備

混凝土粗、細骨料選用遼寧海城的礫石和連續(xù)級配河砂，最大骨料粒徑25.0，經(jīng)破碎與篩分配成粒徑5-25mm的粗骨料和0-5mm的細骨料。試驗采用P·O42.5級水泥作為膠凝材料，28d抗彎強度8.0MPa，抗壓強度48.2MPa，比表面積340m2/kg。試驗選用UFA超細粉煤灰，比表面積560m2/kg，粉煤灰與水泥的化學成分見表1。納米材料選用浙江亞美納米碳化硅NC和上海杜瓦納米二氧化硅NS，化學成分見表2。

表1 粉煤灰與水泥的化學成分 %

表2 納米材料的性能指標

1.2 測試方法

水工混凝土配制時用18%的UFA超細粉煤灰和1%、2%、3%的納米材料等量替代水泥，從而制備納米改性混凝土。其中，水泥砂漿的耐磨性直接決定了水工混凝土的耐磨性，因此納米材料的最優(yōu)摻量區(qū)間確定時應考慮水泥砂漿強度試驗結(jié)果，在此基礎(chǔ)上測試不同配合比的混凝土耐磨性。依據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法》測試試樣的強度，將制備成的160mm×40mm×40mm試件放入相對濕度>90%、溫度(20±2)℃的恒溫箱，標準養(yǎng)護28d測試抗壓和抗彎強度[5-7]。

水工混凝土的抗沖磨性利用試驗規(guī)程推薦的鋼球法測試，試樣尺寸150mm×150mm×150mm，試驗前先將試件表面磨平并涂抹厚約2mm的改性環(huán)氧砂漿，室溫養(yǎng)護7d按操作流程完成沖磨試驗，磨損率以試驗前后試樣的質(zhì)量損失計算，每個周期持續(xù)時間72h。

2 結(jié)果與分析

2.1 強度試驗結(jié)果

納米材料的最優(yōu)摻量區(qū)間可以依據(jù)水泥砂漿強度試驗結(jié)果來確定，然后按照該區(qū)間利用納米材料等量替代水泥，從而制備單摻NC、單摻NS和雙摻NC-NS三種納米改性混凝土，并在此基礎(chǔ)上測試其力學特性。水泥砂漿配合比見表3，強度測試結(jié)果見圖1、圖2。

表3 水泥砂漿試驗配合比

由圖1可知，對提高水泥砂漿強度納米材料NC和NS均有積極作用，即單摻NC、NS納米材料有利于增強砂漿的抗壓和抗彎強度。NS處于0-3%摻量區(qū)間時，水泥砂漿的抗壓與抗彎強度均隨著摻量的增大呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，所以NS的最優(yōu)摻量為2%；NC處于1%-3%摻量區(qū)間時，水泥砂漿的抗壓與抗彎強度均表現(xiàn)出增大趨勢，若持續(xù)增加NC摻量可以預測到砂漿強度曲線將出現(xiàn)拐點，所以NC的最優(yōu)摻量為3%。

圖2表明，對于改善水泥砂漿強度雙摻納米材料要優(yōu)于單摻，E-1組的抗壓和抗彎強度最高。

(a)抗彎強度 (b)抗壓強度

2.2 抗沖耐磨試驗結(jié)果

根據(jù)納米材料的最優(yōu)摻量區(qū)間確定混凝土配合比，見表4，并以此測定納米材料改性混凝土的抗磨性能，見圖3。

表4 納米材料改性混凝土配合比 kg/m3

由圖3可知，參照組的混凝土磨損量明顯低于摻納米材料組，即納米材料的摻入能夠有效增強混凝土的耐磨性，并且混凝土磨損量隨NC、NS單摻含量的增大而逐漸下降，單摻NC的磨損量下降率更低，其耐磨性優(yōu)于NS。納米材料NS處于0-3%摻量區(qū)間時，混凝土磨損量曲線隨含量的增加呈現(xiàn)出先減小再增大的變化趨勢，摻量為2%時的磨損量最小為1.35kg/m2，較對照組下降了48.5%；納米材料NC摻量達到3%時混凝土的磨損量達到最小為0.82kg/m2，較對照組下降了68.70%。

依據(jù)以上分析結(jié)果，采用正交試驗設(shè)計4種不同配合比制備雙摻納米材料混凝土試樣，如表5所示，并測試耐沖磨性能，如圖4所示。

(a)磨損率 (b)磨損量下降速率

表5 雙摻NC與NS混凝土配合比

從圖4可以看出，雙摻納米材料的4組混凝土磨損量下降率較對照組均超過50%，其最高可以達到78%，并且各明顯高于單摻組。因此，混凝土雙摻納米材料優(yōu)于單摻的耐沖磨性能，其中磨損量最小的SS-3組只有0.57kg/m2，而SS-1組和SS-3組的磨損率下降幅度均高于單摻最優(yōu)含量組合的SS-4組，并且SS-2組的磨損量也高于SS-1組，由此表明納米材料NS改善混凝土耐磨性的作用要低于NC。

(a)磨損率 (b)磨損量下降率率

2.3 納米顆粒改性機理

研究表明，改善砂漿界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和提高水泥砂漿強度是增強混凝土耐沖磨性的關(guān)鍵，通過觀察水泥砂漿微觀結(jié)構(gòu)揭示了水泥砂漿受納米材料的影響機理。結(jié)果顯示，無納米顆粒試樣中水化硅酸鈣CSH排列松散，大量的針狀鈣礬石晶體AFt和少量立方型氫氧化鈣晶體CH分布在微觀結(jié)構(gòu)表面，這些大量存在的AF他致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了薄弱區(qū)域。納米顆粒的加入不僅能夠改善CH的各向異性程度以及水化后膠結(jié)材料的分布，而且能夠促進水泥基材料水化。含有NS的水泥砂漿試樣無明顯的立方型CH和針狀AFt，水化產(chǎn)物質(zhì)地緊密且排列整齊，這主要與納米材料的骨料填充、火山灰和表面效應有關(guān)。納米顆粒的表面能高、比表面積大且體積小，水泥漿體硬化過程中大量水化產(chǎn)物和NS覆蓋了球形UFA顆粒表面，隨著時間的推移NS的火山灰效應逐漸發(fā)揮作用，并在水化物外形成厚實的表層。此外，NC有利于加速早期水泥水化，從而使得硬化水泥黏貼更緊湊以及混凝土的抗沖磨能力更強。但水泥砂漿中納米顆粒間的間距會隨著納米材料含量的持續(xù)增加逐漸減小，CH晶粒的生長空間在一定程度上被壓縮，硬化的水泥變得疏松，并使得耐沖磨性下降[8]。

3 結(jié) 論

文章探討了水工混凝土耐沖磨性和強度受納米顆粒的影響，并進一步揭示了納米顆粒的作用機理，主要結(jié)論如下：

1)納米顆粒的加入會明顯提高粉煤灰水工混凝土的抗壓和抗彎強度，單摻2%的NS、單摻3%的NC和雙摻2%NC與2%NS的性能最佳。沖磨試驗表明，納米顆粒的摻入明顯提高了混凝土的耐沖磨性，大大降低了磨損率，混凝土單摻的耐磨性遠遠低于雙摻。

2)納米材料的骨料填充、火山灰和表面效應是影響混凝土耐沖磨性能的關(guān)鍵，納米顆粒的表面能高、比表面積大且體積小，二次水化時能夠與CH反應達到改善水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)的目的。同時，納米顆粒具有填充骨料孔隙提高水泥漿體密實度的作用，使硬化水泥黏貼更緊湊以及混凝土的抗沖磨能力更強[9-10]。