纳米硅粉在防火耐热混凝土中的应用研究.pdf

钎 建巍 中 国 科 技 核 心 期 刊 纳米硅粉在防火耐热混凝土中的应用研究 杨雪宁 ， 万修国 ( 1 湖南高速铁路职业技术 学院， 湖南 衡 阳4 2 1 0 0 2 ； 2 衡阳铁建房地产 开发有 限公 司， 湖南 衡阳4 2 1 0 0 2 ) 摘要： 在普通混凝土中掺入纳米硅粉制备耐热度为5 o o 的防火耐热混凝土， 测试了高温煅烧前后混凝土试件的尺寸、 质量及 耐压 强度 ， 分析研 究纳米硅粉掺量对混凝土耐热性能的影响。试验 结果表 明， 在普通混凝土中掺入纳米硅粉有助于提高混凝土的抗 高温 变形能力及相对 耐压 强度 ， 降低混凝土 的高温质量损失率， 纳米硅粉的最佳 掺量 为 3 一 7 。 关键词： 纳米硅粉； 防火耐热混凝土； 耐热性能 中图分类号： T U 5 2 8 3 4 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 7 7 0 3 Re s e a r c h o n t h e a p p l i c a t i o n o f n a n o s i l i c a f u me i n h e a t r e s i s t i n g c o n c r e t e Y ANG Xu e n i n g a ， WAN Xi u g u o ( 1 Hu n a n Te c h n i c a l Co l l e g e o f Ra i l Wa y Hi g h - S p e e d， He n g y a n g 4 21 0 0 2， Hu na n， Ch i n a ： 2 He n g y a n g Ra i l wa y Re al Es t a t e De v e l o p me n t Co mp a n y L i mi t e d， He n g y a n g 4 2 1 0 0 2 ， Hu n an ， C h i na ) Ab s t r a c t ： He a t r e s i s t i n g c o n c r e t e o f 5 0 0 o C h e a t p e r me a t i o n r e s i s t a n c e i s ma n u f a c t u r e d b y a d d i n g n a n o - s i l i c a f u me i n t o o r d i n a r y c o n c r e t e S o me p e rfo rm a n c e s s u c h a s d i me n s i o n c h a n g e ，ma s s c h a n g e a n d s t r e n g t h c h a n g e b e f o r e a n d a f t e r h i g h t e mp e r a t u r e c a l c i na t i o n a r e me a s u r e d I n flu e n c e o f na n o s i l i c a fume a d mi x t ur e o n c o n c r e t e t h e rm a l p e r f o rm a n c e i s a n a l y z e d Th e t e s t r e s u l t s s ho w t h a t ， a d d i n g n a n o s i l i c a fume i n o r d i n a r y c o n c r e t e i s h e l p f u l t o i mp r o v e t h e c o n c r e t e h J g h t e mp e r a t u r e d e f o r ma t i o n r e s i s t a nc e c a p a bi l i t y an d t h e r e l a t i v e c o mp r e s s i v e s t r e n gth ，and l o we r t h e ma s s l o s s r a t e o f c o n c r e t e a t h i g h t e mp e r a t u r e Th e o p t i ma l i n c o r p o - r a t i o n o f n a n o s i l i c a fu B e i S 3 7 Ke y wo r d s ： n ano - s i l i e a f u me ； fi r e p r o o f h e a t p r oof c o n c r e t e ； h e a t r e s i s t a n c e 人们在关注普通混凝土强度和耐久性的同时，对其耐热 性也作了一定的试验研究 1 】 ， 结果表明， 普通混凝土只能用于 2 0 0 以下的温度环境。 然而， 随着我国现代化建设的快速发 展， 高层、 超高层建筑不断涌现， 建筑防火变得尤为重要， G B 5 0 0 4 5 - - - 9 5 编 层民用建筑设计防火规范 ( 2 0 0 5 版) 明确规定， 一 类高层建筑的耐火等级应为一级，二类高层建筑的耐火等 级不应低于二级。 裙房的耐火等级不应低于二级。 其燃烧性能 和耐火极限要满足规范规定。 由此可见， 研制一种经济适用的 新型防火耐热混凝土具有重要意义。 已有研究嘲 指出， 在普通混凝土中掺入适量粉煤灰、 矿渣 基金项目： 2 0 1 1 年衡阳市科技局工业科技支撑计划项目( 2 0 1 1 K G 5 4 ) 收稿 日期： 2 0 1 2 1 1 - 0 1 作者简介： 杨雪宁， 女， 1 9 7 5 年生， 陕西咸阳人， 讲师， 硕士， 研究方向 为建筑 结构与材 料 。地址 ： 湖南 省衡 阳市珠晖 区一环 东路 南 9号 ， E ma i h y x ue n i n g 1 6 3 c o rn。 粉等活性矿物掺合料能有效提高混凝土的耐热性能。这是因 为高温作用下活性矿物掺合料中的S i O 和A l 2 0 ， 与水泥水化 产物C a ( 0 H ) ： 发生二次反应， 生成水化硅酸钙和水化铝酸钙， 有效降低了高温下C a ( 0 H ) ： 脱水生成的f - C a 0的含量， 同时 高温下活性 S i 0 ： 、 A 1 0 也与已生成的 C a 0起同相反应， 生 成遇水不消解、 体积相对稳定的无水硅酸钙和无水铝酸钙， 使 混凝土的耐热性得到提高。 纳米硅粉， 又称硅灰【3 ， 是铁合金厂在冶炼硅铁合金或半 导体硅时，从烟尘中收集的一种飞灰， S i 0 ： 含量高达9 5 以 上， 具有高分散性。目 前， 对于在普通混凝土中加入纳米硅粉 提高混凝土常温强度的研究已较为成熟 ， 而对于加入纳米 硅粉提高混凝土防火耐热性能的有关研究报道还不多见， 本 文在已有研究成果的基础上，利用普通混凝土工艺技术制备 耐热度为5 0 0的防火耐热混凝土，根据试验结果分析纳米 硅粉掺量 对混 凝土煅烧前后尺寸、 质量及强度的影响， 确定 纳 米硅粉的最佳掺量，为纳米硅粉防火耐热混凝土的生产制备 N E W BUI L DI NG MAT ER I AL 5 7 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杨雪宁， 等： 纳米硅粉在防火耐热混凝土中的应用研究 提供理论参考。 1 试验 1 1 试验材料 ( 1 ) 水泥： 采用南方牌4 2 5 级普通硅酸盐水泥， 其技术性 能见表 1 。 表 1 水泥的技术性能 ( 2 ) 集料： 细集料， 本地河砂， 中砂， 细度模数2 5 ， 级配良 好， 表观密度2 1 6 7 k g m ， 堆积密度 1 5 2 0 k g m ； 粗集料： 本地 碎石， 5 2 5 i -t i m连续级配， 表观密度2 6 2 0 k g m ， 堆积密度1 5 1 4 k g m 。 ( 3 ) 纳米硅粉： 武汉新必达化工有限公司生产， 技术指标 见表 2 。 表 2 纳米硅粉的技术指标 ( 4 ) 高效减水剂： 北京建恺混凝土外加剂有限公司生产的 J K P C A 一 0 1 聚羧酸高性能减水剂，推荐掺量为胶凝材料总质 量的0 3 2 5 。 1 2 试验方法与混凝土耐热性表征 ( 1 ) 试验方法 本试验在湖南高速铁路职业技术学院建材试验室完成， 试验均按G B ， r 5 0 0 8 0 - - 2 0 0 2 普通混凝土拌合物性能试验方 法标准 、 G B ff 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法 标准 进行。 对不同纳米硅粉掺量的混凝土分别在同批次制作 了3 组试件( 每组3 块) ， 试件尺寸 1 0 0 m m x l 0 0 m m 1 0 0 m m ， 2 4 h 后拆模，标准养护至2 8 d 。到养护龄期后，按常温、 1 1 0 、 5 0 0 不同温度处理混凝土试件，测试不同温度处理后试 件的尺寸、 质量及耐压强度。混凝土设计配比等级为C 3 0 ， 配 制强度为3 8 2 M P a ， 具体配合比见表3 。 表 3 混凝土具体配合比 7 8 新型建筑材料 2 0 3 5 ( 2 ) 试验仪器 按1 7 4 Y B ， r 2 2 0 8 -2 0 0 8 耐火浇注料高温耐压强度试验 方法 的要求， 试验采用 1 0 1 A S 一 2电热鼓风干燥箱( 电压2 2 0 V ， 控温范围为R T + 1 0 3 0 0 ) 对混凝土进行i 1 0 烘干处理。 采用K S Y 一 6 1 3电阻炉( 电压2 2 0 V ， 控温范围为R T + 1 0 1 3 0 0 ) 对混凝土按 8 1 0 m i n升温速率均匀煅烧， 达到5 0 0 后保温 1 h 。 ( 3 ) 混凝土耐热性表征 评价耐火材料的技术指标通常有： 耐火度、 荷重软化温度、 耐压强度、 热震稳定性、 烧后线变化、 热膨胀、 导热系数等16 。 其中耐压强度包括烘干耐压强度、烧后耐压强度和相对耐压 强度( 烧后耐压强度与烘干耐压强度之比) ， 测试烧后耐压强 度， 可宏观分析出混凝土在高温作用下的组织结构变化， 以及 所能承受的压力。 而相对耐压强度的数值， 可直观地反映出混 凝土经高温作用后的强度剩余率和损失率。 Y I 3 T4 2 5 2 -2 0 1 1 耐热混凝土应用技术规程 技术标准要求， 1 1 0 烘干强度 混凝土设计强度等级， 5 0 0 烧后残余强度I5 0 混凝土设计 强度等级， 不应出现裂纹。 2 试验结果与讨论 2 1 纳米硅粉掺量对混凝土尺寸变化的影响 混凝土热处理过程中， 由于其内部自由水分蒸发、 水化产 物脱水， 试件会出现收缩变形， 试件收缩变形值的大小直接反 映水分损失的多少。文献 6 】 指出， 当温度达到 1 0 0 1 1 0 时， 水泥石中毛细孔水等自由水分开始蒸发， 1 8 0 时水化硅酸 钙 凝胶开始脱水 并出 现收缩 变形， 此时混 凝土的收 缩与热膨 胀相平衡，试件外观不表现出收缩变形现象；当温度达到 2 8 0 3 3 0 o C 时， 水化铝酸钙开始脱水并产生收缩， 混凝土收缩 值增大， 外观表现出收缩变形： 当温度达到4 0 0 4 5 0 时， 氢 氧化钙开始分解脱水， 混凝土收缩值进一步增大。 5 0 0 o C 高温煅烧后混凝土试件的收缩值见图1 。 0 1 3 5 7 9 纳米硅粉掺量 图 1 5 0 0高温煅烧后混凝土试件的收缩值 由图1 可见， 不掺纳米硅粉的普通混凝土收缩值为7 7 l 0 ， 掺入 1 、 3 、 5 、 7 、 9 纳米硅粉的混凝土收缩值分别 O 8 6 4 2 O ， 0 _【 好 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杨雪宁， 等： 纳米硅粉在防火耐热混凝土中的应用研究 为5 2 x 1 0 - 4 , 4 3 x 1 0 4 、 3 9 x 1 0 - 4 , 4 2 x 1 0 - 4 , 4 8 x 1 0 一 ，掺入纳米硅 粉的混凝土收缩值均小于不掺纳米硅粉的普通混凝土， 其中 掺入 3 、 5 、 7 纳米硅粉的混凝土收缩值基本接近， 且收缩 值较小， 抗高温变形能力好。试验结果表明， 在混凝土中掺入 纳米硅粉有助于提高混凝土的抗高温变形性能，其中纳米硅 粉掺量为 3 7 的混凝土抗高温变形能力较强。 2 2 纳米硅粉掺量对混凝土质量变化的影响 混凝土试件高温煅烧前后的质量变化见图2 。 0 1 3 5 7 9 纳米硅粉掺量 图 2 混凝土试件高温煅烧前后的质量变化 由图2 可见，各混凝土试件经5 0 0 o C 高温煅烧后质量都 有不同程度的损失。 高温煅烧后， 不掺纳米硅粉的普通混凝土 质量与烘干质量相比， 损失率为7 2 ， 掺入 1 、 3 、 5 、 7 、 9 纳米硅粉的混凝土质量与烘干质量相比，损失率分别为 6 1 、 5 6 、 5 3 、 5 4 、 5 9 。结果表明， 掺入纳米硅粉的混 凝土质量损失率都小于不掺纳米硅粉的普通混凝土。主要原 因是高温作用下纳米硅粉活性发挥更快， 填充效果较好， 使混 凝土结构更致密， 从而减慢了自由水分蒸发损失的速度。 其中 纳米硅粉掺入量为3 一 7 的混凝土质量损失率较小。 试件质 量损失反映的水分损失情况与试件尺寸变化的规律基本一 致。 2 3 纳米硅粉掺量对混凝土耐压强度变化的影响 高温煅烧前后混凝土试件的耐压强度见表4 。 表 4 高温煅烧前后混凝土试件的耐压强度 由表4 可见， 在常温下， 普通混凝土及掺纳米硅粉的混凝 土耐压强度均大于设计强度，其中掺入纳米硅粉的混凝土耐 压强度比设计强度平均提高了2 8 2 ，完全满足耐热混凝土 的技术要求。经过1 1 0 烘干处理后， 普通混凝土的耐压强度 比常温耐压强度降低 1 5 4 ， 掺纳米硅粉的混凝土耐压强度比 常温耐压强度略有降低或不变， 说明掺纳米硅粉的混凝土耐压 强度受温度影响较小， 热稳定性好。 经5 0 0 煅烧后， 各混凝土 耐压强度都有不同程度的损失， 其中普通混凝土的相对耐压强 度为4 4 1 ， 掺入 1 、 3 、 5 、 7 、 9 纳米硅粉的混凝土相对 耐压强度分别为5 1 1 、 5 3 2 、 6 3 3 、 6 2 6 、 5 3 1 。 相对耐压 强度越高， 混凝土经高温煅烧后强度损失越小， 试验结果表明， 掺入纳米硅粉的混凝土强度损失率都小于普通混凝土。 从表4 还可以看出，普通混凝土的烧后残余强度 1 1 6 M P a ， 低于混凝土设计强度的5 0 ， 不能满足耐热混凝土的技 术要求。掺入 1 、 3 、 5 、 7 、 9 纳米硅粉的混凝土烧后残 余强度 1 6 4 、 1 9 9 、 2 5 7 、 2 2 1 、 2 0 6 M P a ， 均大于混凝土设计强 度的5 0 ， 可满足耐热混凝土的技术要求。从混凝土耐压强 度变化情况可知， 在普通混凝土中掺入 1 一 9 纳米硅粉能满 足耐热混凝土5 0 0 烧后残余强度的技术要求，且强度损失 率都小于普通混凝土， 其中纳米硅粉掺量为3 7 的混凝土 强度损失率较小。 3 结语 ( 1 ) 在普通混凝土中掺入纳米硅粉有助于提高混凝土的抗 高温变形能力及相对耐压强度，降低混凝土的高温质量损失 率。 ( 2 ) 以硅酸盐水泥为胶结料， 碎石、 河砂为粗细集料， 掺入 l 9 的纳米硅粉配制混凝土， 能满足耐热度为5 0 0 的防 火耐热混凝土强度指标要求。 ( 3 ) 制备烧后耐压强度和相对耐压强度都较高的防火耐热 混凝土， 建议纳米硅粉的最佳掺量为3 7 。 参考文献 ： 1 】 邓初 首 普通混凝土耐热 性能分析及其改善措施 J 粉煤灰 综合 利用 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 5 3 5 6 【 2 叶建雄， 王冲， 龚兴耀， 等 硅酸盐耐热混凝土的制备及其性能研 究叨 材料导报， 2 0 0 9 ， 2 3( 9 ) ： 7 5 7 8 【 3 】 扶名福 ， 熊进刚 ， 宋 固全 纳米材料在混凝 土中的研究与应用 J 工程力学 ， 2 0 0 4 ( S 1 ) ： 4 8 5 1 4 唐小萍， 魏秀瑛， 刘晓文， 等 纳米 S i O 2 提高不同龄期混凝土力学 性 能试验 J J 科技 导报 ， 2 0 1 1 ， 2 9 ( 2 1 ) ： 6 4 6 9 【 5 叶青， 张泽南， 孔德玉， 等 掺纳米 S i O 和掺硅粉高强混凝土性能 的比较 J 1 建筑材料学报， 2 0 0 3 ， 6 ( 4 ) ： 3 8 1 3 8 5 6 】 孟宏睿 高温作用后混凝土力学性能及无损检测的试验研究【 D 西安： 西安建筑科技大学， 2 0 0 5 A NE W B UI L DI NG MA T E R I At 5 7 9 4 3 2 l O 9 8 2 2 2 2 2 1 1 卿唾 帮 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m