纳米SiO2对离性能混凝土力学性能的影响.pdf

全国中文核心期刊 新鲤 建巍粉 中 国 科 技 核 心 期 刊 纳米 S i O 2 对高吐 生 链混凝土 力学性售 苣 日 a 景 ； 响 张海燕， 吴勇军 ( 三 门峡职业技术学 院 建筑系 ， 河南 三门峡4 7 2 0 0 0 ) 摘要 ： 在混凝土中掺入纳米 S i O 制备高性能混凝土， 测试其力学性能。结果表明， 对于同一种的混凝土， 掺不同量的纳米 S i O z 后均 能不 同程度地提高混凝土的抗压强度 ， 其 中当纳米 S i O 掺量为 3 时， 7 d龄期 的混凝土抗压强度增强效果 明显 ， 较基 准混 凝土 提 高 8 4 。 关键 词： 纳米S i O ； 高性能混凝土； 水胶比； 抗压强度 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 9 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 7 8 - 0 3 I n fl u e n c e o f n a n o S i O2 o n me c h a n i c a l p r o p e r t y o f t h e h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e Z H A N G Ha i y a n ， Y o n u n ( C o n s t r uc t i o n En g i n e e r i n g， S a n me n x i a Po l y t e c h n i c， S a n me n x i a 4 7 2 0 0 0， He n a n ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ， t h e h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e i s p r e p a r e d b y a d d i n g n a n o S i 02 i n t o c o n c r e t e ， a n d i t s me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a r e t e s t e dT h e r e s u l t s h o ws t ha t f o r t he s a me k i n d o f c o n c r e t e ， t h e e a r l y a n d l a t e c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i s i m p r o v e d i n d i f f e r e n t d e g r e e s b y a d di n g d i ffe r e n t a mo u n t o f n a n o S i O： a nd wh e n t h e p e r c e n t a g e o f n a n o S i 02 i s 3 ， t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o nc r e t e i n 7 d a y s i s i mp r o v e d o b s e r v a b l y ， wh i c h i s 8 - 4 u p c o mp a r e d t o t h e r e f e r e n c e c o n c r e t e Ke y wor d s： n a n o S i O2 ； hi g h p e rfo r ma n c e c o nc r e t e； wa t e r - b i n d e r r a t i o； c o mp r e s s i v e s t r e n gth 高性能混凝土是以耐久性为主要目 标进行设计的，具有 早 期强 度高、 捌 好、 体积稳定 性高、 在严酷环境下使用寿命 较长等优点_ l- 2 。因而很多国家都对高性能混凝土进行了大量 的研究开发， 并广泛应用在土木工程中。 纳米材料是指颗粒尺寸在纳米尺度范围内( 1 1 0 0 n m ) 的 超细材料， 是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域 。纳米 材料在混凝土中的应用研究始于2 0 世纪9 0 年代。目 前的主 要研究领域包括纳米 S i 0 对混凝土物理和化学性能的改变 及其机理、纳米 S i 0 与硅灰等纳米混合材料对混凝土的力 学、 物化以及耐久性等性能的影响 。但是在实际工程应用 领域， 纳米 S i O 对高性能混凝土力学性能影响的研究还不是 很完善。 因此， 本文制备的高性能混凝土就是在特定混凝土中 基金项 目： 科技部科技人员服务企业资助项 目( 2 0 0 9 G J D 0 o 0 1 6 ) ： 河南省教育厅 自然科学基金项 目( 2 0 1 1 A 4 6 0 o 0 5 ) 收稿 日期： 2 0 1 2 0 4 1 3 作者简介： 张海燕 ， 女， 1 9 7 5年生 ， 河南三 门峡人， 硕士， 讲师 。 E ma i l z h x y pp -1 1 6 3 c o n。 7 8 新型建筑材料 2 0 1 2 7 掺不同量纳米S i O ， 并对试样进行力学性能测试， 分析不同纳 米S i O 掺量的高性能混凝土的抗压强度变化趋势， 从而为高 性能混凝土在实际工程应用方面提供理论支持。 1 试验 1 1 试验材料 水泥： 崤山牌4 2 5 级普通硅酸盐水泥。 粗集料： 选用三门峡市观音堂石场生产的石灰质碎石， 其 中粒径为1 0 2 5 m m的碎石占3 0 ，粒径为2 5 4 0 m m的碎 石占7 0 。 细集料： 选用三门峡市涧河沙场的河砂， 细度模数2 7 ， 粒 径 5 1 0m m。 因为上述粗、 细集料使用前均经自来水冲洗并烘干， 所以 可以忽略其含泥量与含水率。 粉煤灰选用长治市易天粉煤灰有限公司生产的级粉煤 灰； 硅灰选用洛阳济禾微硅粉有限公司生产的微硅粉。 外加剂： 选用上海巴 斯夫化学公司生产的D H - 4 0 0 5 聚羧 酸盐减水剂、 河南洛阳科尔公司生产的D H 一 2 型水泥增强剂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张海燕， 等： 纳米S i O ： 对高性能混凝土力学性能的影响 和上海舜水化工有限公司生产的A H 一 2 型引气剂。 纳米S i O ： 选用山东亿豪化工厂生产的纳米S i O 粉体， 其 S i O 的含量不低于9 9 5 ， 粒径为 2 0 3 0 n m ， 比表面积不小 于 2 5 0m Z g 。 混凝土拌合用水： 城市自来水， 符合J G J 6 3 -2 0 0 6 混凝 土用水标准 的技术要求。 1 2 试验方法 为了探讨纳米S i O ： 掺量对水泥混凝土抗压强度的影响， 高性能混凝土的配制方法是在 3 种水胶比( 0 2 6 、 0 3 0 、 0 3 5 ) 基础上， 针对每种水胶比分别掺入不同量纳米 S i O ( 0 、 3 、 5 ) ， 其中试验对比的基准混凝土是不掺纳米 S i O 的混凝土。 为使本研究结果与工程实际应用情况一致，高性能混凝土配 合比设计中均掺加粉煤灰与硅灰。具体试验配比见表 1 。 表 1 试验配合 比 混凝土配制方法依据 G B T 5 0 0 8 0 - - 2 0 0 2 混凝土拌合物 性能试验方法 与C E C S 2 0 7 ： 2 0 0 6 高性能混凝土应用技术规 程 ， 混凝土的抗压强度按G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力 学性能实验方法标准 的规定进行测试。 试验过程中，普通水泥混凝土在初步配合比下的实测坍 落度在 1 3 0 m m左右， 能满足混凝土的和易性要求。因此， 掺 纳米S i O 水泥混凝土试件的配合比在普通水泥混凝土配合 比的基础上只调整用水量， 使其满足坍落度要求。 所有配比的混凝土搅拌时问统一为1 0 m i n ， 具体搅拌步骤 如下： 每次拌合前先润湿搅拌器内壁， 然后在搅拌器中倒入 粗、 细骨料， 搅拌1 ra i n 后将事先搅拌均匀的胶凝材料( 水泥、 粉煤灰、 硅灰、 纳米 S i O ) 倒入搅拌器中搅拌 1 m i n ； 将含有 1 1 高效减水剂的部分水倒入搅拌器拌合3 m i n ； 将含有 5 水泥增强剂的部分水倒入搅拌器拌合2 m i n ；将溶有0 0 1 5 引气剂的剩余水倒入搅拌器拌合 3 m i n 后停止。将拌合物倒 出， 在搅拌板上用表面湿润的铁锹反复搅拌数次后装模。 测试 混凝土抗压强度试件的尺寸为 1 0 0 m m x l O 0 m m x l 0 0 m m ； 混 凝土试件均采用标准养护 温度( 2 0 2 ) o C ， 相对湿度不低于 9 5 。 2 试验结果与分析 试验结果见图1 图3 。 1 3 0 1 2 O 1 1 O 1 0 0 蠢 9 0 醴8 O 是。7 。0 5O 40 0 1 2 3 4 5 6 S i O 2 掺量 图 1 水胶 比为 0 2 6时不同纳米 S i O ： 掺量试件 的抗压强度 1 1 2 1 。 0 皇1 。0： 8 。 9 4 O 0 1 2 3 4 5 6 S i O 2 掺量 图 2 水胶 比为 0 3 0时不同纳米 S i O ： 掺量试件的抗压强度 0 1 2 3 4 5 6 S i O 2 掺量 图3 水胶 比为 0 3 5时不同纳米 S i O 掺量试件的抗压强度 由图1 图3 可以得出： ( 1 ) 对不同水胶比的混凝土， 掺入一定量的纳米S i O ： ， 其 抗压强度都有不同程度的提高， 主要是由于纳米S i O 作为混 凝土内部孔隙的填充物， 使混凝土内部结构更加密实， 同时可 以改善骨料与浆体的过渡界面， 从而提高混凝土的抗压强度l】 O l 。 当水胶比为0 3 0 、 纳米S i O 掺量为3 时增强效果最为明显， 抗压强度较未掺纳米S i O 的试件平均提高了1 1 3 。但随着 水胶比的继续增大， 其增强效果反而不明显。 原因是纳米S i 0 2 具有较高的活性， 能迅速与水泥的水化产物C a ( O H ) ： 发生二 次反应， 生成具有高强度的C S H凝胶， 由于纳米S i O ： 的比 N E W BUI L DI NG M ATE RI AL S 7 9 加 册 鱼 骠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张海燕， 等： 纳米 S i O 对高性能混凝土力学性能的影响 表面积非常大， 随着水胶比的增大， 与水拌合后纳米S i O 吸附 的表层水数量增大， 反而使参与水化的水数量减少， 而当混凝 土内部相对湿度降到某个临界值时，混凝土中水化反应就会 停止 。当纳米S i O 掺量达到5 时， 混凝土抗压强度的提 高不是很明显。所以仅从提高混凝土的抗压强度方面看， 3 可以作为纳米S i 0 的适宜掺量。 ( 2 ) 水胶比相同时， 掺入纳米S i 0 均能不同程度地提高 混凝土的早期和后期抗压强度，其中早期要比后期增强效果 明显， 而且早期增强结果中以7 d 龄期最为明显。 当水胶比较 低时， 由于没有充足的水分供应， 混凝土中大部分水泥还保持 着原来的颗粒内核， 只有小部分可以发生水化反应， 该反应会 释放大量的热量， 造成混凝土温度升高， 影响了混凝土抗压强 度的提高。而当混凝土中掺入一部分纳米S i O 后， 由于纳米 S i O 的活性较高， 可以有效地提高混凝土中水泥发生水化反应 的比例， 水化产物的质量也相应增大。由于纳米S i 0 的水化 反应比水泥颗粒的水化反应慢，使得水泥早期的水化反应比 较充分。 所以混凝土的早期强度提高比较明显， 但是随着纳米 S i 0 水化反应的进行， 后期混凝土强度增强不是很明显。 当水 胶比为0 3 0 ， 纳米S i 0 掺量分别为3 、 5 时， 混凝土的3 d 、 7 d 、 1 4 d 抗压强度分别比其基准强度提高了3 1 、 8 4 、 9 0 与4 3 、 1 8 2 、 1 3 0 ； 混凝土2 8 d 、 5 6 d 、 1 1 2 d 抗压强度分别 比其基准强度提高了8 2 、 3 9 、 3 8 与4 2 、 3 1 、 1 7 。 3 结语 ( 1 ) 对不同水胶比的混凝土， 掺入一定量的纳米S i 0 ， 其 抗压强度都有不同程度的提高， 当水胶比为0 3 、 纳米S i 0 掺 量为3 时增强效果明显， 抗压强度平均提高了1 1 3 。 ( 2 ) 对于相同水胶比的高性能混凝土， 不同掺量的纳米 S i 0 ： 均能不同程度地提高混凝土的抗压强度，而且早期比后 期增强效果显著。 其中以7 d 龄期最为明显， 其抗压强度较基 准混凝土提高了8 4 。 参考文献 ： 【 1 】 王景贤 ， 王 立久 纳米 材料在 混凝土 中的应用 研究进 展【 J J 混凝 土， 2 0 0 4( 1 1 ) ： 1 8 2 1 2 徐定 华 ， 徐 敏 混凝 土材料 学概 论【 M 北 京 ： 中 国标准 出版 社 ， 2 0 07 3 1 罗晓勇， 施养杭 混凝土断裂的研究现状与展望 J 四川建筑科学 研究 ， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 6 ) ： 9 4 9 9 4 】 周 明芳粗 合成纤维混凝土 断裂性能试验研究 J 1 四川建筑 科学 研 究， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 6 ) ： 2 2 8 2 3 4 5 】 叶青 纳米 S i O 与硅灰的火山灰活性 的比较【 J 】 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 1 9 -2 2 6 L I G e n g y i n g P r o p e r t i e s o f h i g h - v o l u m e fl y a s h c o n c r e t e i n e o r p o r a t i n g n a n o S i O2 C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 6 ) ： 1 0 43 1 0 4 9 7 巴恒静， 冯奇 ， 杨英姿 粉煤灰 、 硅 灰及纳米硅与 c ， s水化产物 的 显微结构研究l J 1 硅酸盐学报， 2 0 0 9 ， 3 0( 6 ) ： 7 8 0 7 8 4 8 叶青， 张泽南， 孔德玉 ， 等 掺纳米 S i O ： 和 掺硅灰高强混凝土性能 的比较 J 1 _ 建筑材料 学报 ， 2 0 0 6 ， 6 ( 4 ) ： 3 8 1 3 8 5 9 季韬 ， 黄与舟 ， 郑作樵 纳米混凝土物理力 学性能研究初探 f J 混 凝土， 2 0 1 0( 3 ) ： 1 3 1 4 1 0 李 固华 ， 高波 纳米微 粉 S i O 和 C a C O ， 对 混凝土性 能影响 J 1 铁 道学报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 1 ) ： 1 3 1 - 1 3 6 1 1 E r mk h a j o mk i t P ， N a w a T ， Na k a i M， e t a 1 E f f e c t o f fl y a s h o n a u t o g e n o u s s h r i n k a g e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 3 )： 4 7 3 48 2 1 2 I g a r a s h i S ， B e n t u r A， K o v l e r K A u t o g e n o u s s h r i n k a g e a n d i n d u c e d r e s t r a i n i n g s t r e s s e s i n h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 1 1 ) ： 1 7 0 1 1 7 0 7 A 一 种石膏一 混凝土混合结构节能住宅建筑及制作方法 专利申请号： C N 2 0 0 9 1 0 3 0 5 7 9 0 3 ， 公开号： C N1 0 1 6 6 6 1 1 7 ， 申请日： 2 0 0 9 0 8 1 9 ， 公开曰： 2 0 1 0 0 3 1 0 ， 申请人： 贵 州大学、 瓮福 ( 集团) 有限责任公司、 贵州建工集团第一建筑工程公司。 本发明采用磷石膏、 脱硫石膏或天然石膏作为住宅建筑的墙体建筑材料， 将袋装石膏粉与水搅拌形成可流 动的浆液， 然后现场浇注出住宅建筑的墙体， 并采用磷石膏、 脱硫石膏或天然石膏预制石膏模板， 用石膏模板现场 浇注出钢筋混凝土密肋井字板 ， 使石膏模板 与浇制 出钢筋混凝土楼盖连接为一体， 从而形成以石 膏模板为永久模 板的钢筋混凝土密肋井字楼盖 。本发 明与常规小开间砌体混合结构的建筑 比较有 以下优点： ( 1 ) 结构整体性优于 常规砌体结构； ( 2 ) 施工工艺比常规砌体简单， 可操作性强； ( 3 ) 建造成本比常规砌体结构降低 7 1 0 ； ( 4 ) 建筑 节能效应优 于常规砌体结构 。 ( 王元荪) 8 0 新型建筑材料 2 0 1 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m