纳米SiO2和纳米CaCO3改善混凝土抗冻性能试验.pdf

2 0 1 5年第 7期 7月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI N A CONC RE T E A ND C E MEN T P R0DUC T S 2 01 5 No 7 J u l y 纳米 S i O2 和纳米 Ca C O3 改善混凝土 抗冻性能试验 王德志 1 ,2 ， 孟云芳 ，一 ， 李 田雨 ( 1 宁夏大学土木和水利工程学院， 银川 7 5 0 0 2 1 ； 2 旱区现代农业水资源 高效利用教育部工程研究中心 ， 银川 7 5 0 0 2 1 ) 摘要 ： 研 究 了纳米 S i O： 和纳米 C a C O， 对 混凝土 7 d 、 2 8 d和 7 8 d抗压 强度 、 劈裂抗拉 强度及 混凝土抗冻性能 的 影响 。 试验结果表 明， 纳米 S i O 能显著 改善混凝 土力 学性 能和抗冻性能 ， 试验 中最优掺 量为 2 ； 纳米 C a C O， 能显著 改善混凝土劈裂抗拉 强度和抗冻性能 ， 但对抗压强度影响不显著 ， 试验 中最优掺量 为 3 。 关 键 词 ： 纳 米 S i O2 ； 纳 米 Ca CO3 ； 混 凝 土 抗 冻 性 Ab s t r a c t ：Th 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 ；s p l i t t i n g s t r e n g t h a n d f r o s t r e s i s t a n c e mi x e d wi t h S i O2 a n d C a CO 3 n a n o p a r t i c l e s we r e e x p e r i me n t a l l y s t u d i e d R e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e a d d e d n a n o - S i O 2 i mp r o v e d ma r k e d l y c o mp r e s s i v e s t r e n gth ， s p l i t t i n g s t r e n g t h a n d f r o s t r e s i s t a n c e ， a n d t h e a d d e d n a n o Ca C Os h a d o b v i o u s i mp a c t s o n s p l i t t i n g s t r e n gth a n d f r o s t r e s i s t a n c e a s we l l a s l i t t l e e ffe c t o n c o mp r e s s i v e s t r e n gth T h e o p t i ma l r e p l a c e me n t l e v e l s o f c e me n t b y S i O2 a n d C a C O3 n a n o p a r t i c l e s f o r p rod u c i n g c o n c r e t e we r e 2 0 a n d 3 0 r e s p e c t i v e l y Ke y wo r d s ： S i O2 n a n o p a r t i c l e s ； C a CO 3 n a n o p a r t i c l e s ； F r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e 中图分 类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标识 码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 0 7 0 6 一 O 5 0前 言 研究发现【 - - 2 水泥水化产物之一的水化硅酸钙 凝胶 ( C S H凝胶)的平均粒径为 l O n m。N o n a t 、 J e n n i n g s 和 R i c h a r d s o n tS l 确认 C S H的最小粒径为 5 n m，水泥石实际上是由水化硅酸钙凝胶为主凝聚 而成的微观上相当粗糙 的初 级纳米 材料fq 。根据 Me h t a “ 最简单 、 最有效 的解决方案” ， 可以利用纳米 材料 的高物理填充效应和化 学活性填充微 裂缝 和 孔 隙， 改善混凝 土纳米结构 的密实性 ， 从 而提高 混 凝土的耐久性 。B a l a g u r u m h 纳米技术研究了水泥 的水化进程 发现较好 的微纳米结构确实可 以明显 改善混凝土的性能 。 因此 ， 本文利用具有优异特性 的纳米 S i O ： 和纳 米 C a C O 改性混凝土 ， 探索提高混凝土抗冻性 的新 思路。 1 原 材料 和试 验方 法 1 1 原材 料 水泥 ： 宁夏某公 司生产的硅酸盐水泥( P O 4 2 5 级 ) ， 水泥性能指标满足相关标准要求 。 基 金项 目： 国家 自然科 学基金 资助项 目( 5 1 3 6 8 0 4 9 ) ； 教育部 “ 长 江 学 者 和创 新 团 队发 展 计 划 ”创 新 团 队 资 助 项 目 ( I RT1 0 6 7 ) 。 一 6 一 粗细骨料 ： 宁夏镇北堡产的粗细骨料 ， 其中粗骨 料为碎石 ， 5 - 2 0 m m粒径 ， 压碎指标 5 3 ； 细骨料为 中砂。 纳米 S i O 和纳米 C a C O ： 杭州某新材料有限公 司生产 ，平均 粒径 均为 2 5 n m，比表 面积 分别 为 2 3 0 m Z g和 4 0 m Z g ，纯度 分 别 为 9 9 6 和 9 8 9 ， 烧 失量均合格 。 粉煤灰 ： 宁夏某公司生产的 I级粉煤灰 。 减水剂 ： 北京产 F D N高浓型萘系高效减水剂 。 1 2试 验方法 基准组混凝土 的砂率为 4 3 ，固定 用水 量为 1 5 0 k g m 。 纳米 S i O 2 按 1 、 2 和 3 ( 质量分数) 、 纳 米 C a C O 3 按 1 和 3 ( 质量分数 ) ， 粉煤灰按 2 0 和 2 5 ( 质量分数 ) 等量取代水泥 ， 水胶 比均为 0 4 ， 掺 加高效减水剂使混凝土坍落度保持在 6 0 l O O mm之 间。混凝土配合比见表 1 。按照 S L 3 5 2 -2 0 0 6 ( 水工 混凝土试验规程 测试混凝土的力学性能 。 采用 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 普通混凝土长期性能和耐久性能试 验 方法标 准 中的慢冻 法测试 混 凝土 的抗 冻性 能 。 2结果 与分析 2 1 试 验结 果 、 2 1 1 矿物掺合料对混凝土劈裂抗拉强度 的影响 ( 1 ) 纳米 S i O 2 的影 响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王德志 ， 孟云芳 ， 李田雨 纳米 S i O ： 和纳米 C a C O ， 改善混凝土抗冻性能试验 表 1 混凝 土试验配合 比 图 l为纳米 S i O 对混凝 土劈裂抗拉 强度的影 响 ，随着纳米 S i O 2 掺量 由 1 O 逐渐增加 到 3 ， 混 凝土 7 d 、 2 8 d和 7 8 d劈裂抗拉强度都在增加 。纳米 S i O 掺量为 1 时， N S 1组各龄期强度较 J Z 1组分别 提高 l 2 0 、 2 1 4 和 1 7 2 ；当纳 米 S i O 2 掺量 为 2 时 ， N S 2组 各 龄 期 强 度 较 J Z 1组 分 别 提 高 2 4 O 、 3 9 2 和 3 4 5 ；当纳米 S i O 2 掺量为 3 时， N S 3组各龄期强度较 J z 1 组分别提高 2 0 0 、 2 8 6 和 4 4 8 。 O l 2 3 纳米 S i O 2 掺量， 图 1 纳米 S i O 2 对混凝土抗拉强度 的影 响 图 2为 纳 米 S i O 对 粉 煤 灰 混 凝 土 劈 裂 抗 拉 强 度 的影响。 纳米 S i O 2 使粉煤灰混凝土 7 d 、 2 8 d和 7 8 d 劈裂抗拉强度较对 比组有较大增加 。 纳米 S i O 掺量 为 2 时 ， S F 1组 各 龄 期 强度 较 F A1组分 别 提 高 8 3 、 2 1 4 和 2 4 1 ， S F 3组 较 F A 2组 分 别 提 高 1 7 4 、 1 0 7 和 2 6 7 ；当纳米 S i O 2 掺量为 3 时 ， S F 2组各龄期强度较 F A 1组分别提高 8 3 , 1 7 8 和 2 7 6 S F 4组较 F A 2组分 别提高 2 1 7 、 1 7 8 和 2 0 。 ， 40 3 5 3 0 2 5 嘿 2 0 L 5 枨1 O 0 5 0 O 0 2 3 纳米 S i O 掺量， ( a ) 粉煤灰掺量为 2 0 O 2 3 纳米 S i O 2 掺量 ( b ) 粉煤灰掺量为 2 5 图 2纳米 S i O ： 对 粉煤 灰混 凝土劈裂抗拉 强度的影 响 可以看 出， 本次试验中纳米 S i O 在 2 和 3 掺 量时可使混凝土劈裂抗拉强度显著提高 ， 但二者的 影响程度相差不大 ，从经济性的角度考虑 ， 2 纳米 S i O ： 的掺量为最优。 ( 2 ) 纳米 C a C O 的影响 图 3为纳米 C a C O 3 对混凝 土 2 8 d和 7 8 d劈 裂 抗拉强度 的影响。随着 纳米 C a C O 3 掺量的增加 ， 劈 裂抗拉强度提高。掺量为 1 时 ， N C 1 组各龄期强度 较 J Z 1组分别提高 1 1 1和 2 7 6 ； 掺量为 3 时， N C 2组强度较 J Z 1 组分别提高 1 7 8 和 3 1 O 。 图 4为纳米 C a C O ， 对粉煤灰混凝土 7 d 、 2 8 d和 7 8 d劈裂抗拉强度 的影响。随着纳米 C a C O ， 掺量的 增加 ， 劈裂抗拉强度提高。掺量为 l 时 ， C F 1组各 龄期强度较 F A1 组分别提高 8 3 、 1 0 7 和 1 3 8 ， C F 3组各龄期强度较 F A 2组分别提高 8 7 、 1 0 7 和 6 7 ；掺量为 3 时 ， C F 2组各 龄期 强度较 F A1 组分别 提高 1 2 5 、 1 4 3 和 2 4 1 ， C F 4组各龄期 一， 7 一 O 5 O 5 O 5 O 5 0 4 3 3 2 2 1 1 O O W， 憩辑 匿敞 5 O 5 O 5 0 5 O 5 O 4 4 3 3 2 2 1 1 O 0 W ， 醴张辗 敞 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 7期 一 混凝土与水泥制品 总第 2 3 1 期 0 1 3 纳米 C a C 0 3 掺量 图 3 纳米 C a C O 对混凝土劈裂抗拉强度的影响 4 要z O 4 3 善 羁z 禁 O 0 1 3 纳米 C a C O 3 掺量， ( a ) 粉 煤灰 掺量 为 2 0 0 l 纳米 C a C O ， 掺量 ( b ) 粉煤灰掺量为 2 5 图 4 纳米 C a C O ， 对粉煤灰混凝土劈裂抗拉强度 的影响 强度较 F A 2组分别提高 1 7 4 、 2 1 4 和 1 3 3 。 2 1 2 纳米矿物掺合料对混凝土抗压强度 的影响 ( 1 ) 纳 米 S i O ： 的影响 图 5为纳米 S i O 对混凝土抗压强度的影响。 随 着纳 米 S i O 掺 量 的增 加 ， 混 凝 土 7 d 、 2 8 d 和 7 8 d抗 压强度都在增加。 纳米 S i O ： 掺量为 1 时 ， N S 1组各 龄期强度较 J Z 1 组 分别提高 4 3 、 6 8 和 1 2 1 ； 当掺量为 2 时， N S 2组各龄期强度较 J Z 1组分别提 高 6 3 、 1 6 7 和 2 0 3 ； 当掺量为 3 时 ， N S 3组各 龄期强度较 J Z 1 组分别提高 8 5 、 1 5 1 和 1 4 1 。 图 6为纳米 S i O 对粉煤灰混凝 土抗压强度 的 影响。纳米 S i O 2 使混凝土 7 d 、 2 8 d和 7 8 d抗压强度 一 8 一 较对 比组 有较 大增 加 。掺量 为 2 时 ， S F 1 组各 龄 期 强度较 F A 1组分别提高 l 1 9 、 l 1 9 和 7 0 。 S F 3 组较 F A 2组分别提高 1 1 4 、 1 1 2 和 1 1 0 ；当掺 量为 3 时 。 S F 2组各龄期强 度较 F A1 组 分别提高 1 4 8 、 1 5 6 和 4 5 。 S F 4组 较 F A 2组 分 别 提 高 1 7 - 3 、 1 2 和 1 5 7 。 ( 2 ) 纳米 C a C O ， 的影 响 图 7为 纳 米 C a C O 对 混 凝 土 2 8 d和 7 8 d抗 压 强度 的影 响。掺量为 1 时 ， N C 1组各龄期 强度较 J Z 1组分别提高 4 4 和 6 0 ； 掺量为 3 时 ， N C 2组 各龄期强度较 J Z 1 组分别提高 9 1 和 5 4 。 0 l 2 3 纳米 S i O 2 掺量 图 5纳米 S i O 对混凝土抗压强度 的影响 7 0 6 O 5 O 鬟 越 4 0 置3 0 2 0 1 O O O 2 3 纳米 S i O ： 掺量 ( a ) 粉煤灰掺量为 2 0 0 2 3 纳米 S i O 掺量 ( b ) 粉煤灰掺量为 2 5 图 6 纳米 S i O ： 对粉煤 灰混凝 土抗 压强度的影 响 O 5 O 5 0 5 0 5 0 4 3 3 2 2 1 1 O O B d 善 髓惫覃 躲 舳加 如加m O B d W 骥坦 3 B d 苫、 柏 如 加 m O W ， 醴 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王德志 ， 孟云芳 ， 李 田雨 纳米 S i O ： 和纳米 C a C O ， 改善混凝土抗冻性能试验 善 想 幽 0 l 3 纳米 C a C O 掺量， 图 7纳米 C a C O 3 对混凝 土抗压强度的影响 图 8为纳米 C a C O 3 对粉煤灰混凝土 7 d 、 2 8 d和 7 8 d抗压强度 的影响， 随着纳米 C a C O ， 掺量 的增加 ， 抗压强度提高 。掺量为 1 时， C F 1 组各龄期强度较 F A1 分别提高 7 1 、 l 1 0、 和 7 6 ， C F 3组各龄期 较 F A2分别提高 5 7 、 7 5和 5 2 ；掺量为 3 时， C F 2组较 F A1 分别提高 1 2 3 、 1 4 0 和 1 0 3 ， C F 4组较 F A 2组分别提高 9 8 、 l 1 4 和 l 2 0 。 O l 3 纳米 C a C O3 掺量， ( a ) 粉煤灰掺量为2 0 U l 3 纳 米 C a C O3 掺量， ( b ) 粉煤灰掺量为 2 5 图 8 纳米 C a C O ， 对粉煤灰混凝土抗压 强度的影响 2 1 3 纳米级 矿物掺合料对 混凝土抗冻性 能的影 响研究 表 2为纳米级矿物掺合料 对混凝土抗冻性 能 的影响。 表 2 冻融试验混凝土强度损失率 ( 1 ) 纳米 S i O 2 的影响 J Z 2组经过 5 0次和 1 0 0次冻融循环后强度损 失率分别为 4 7 和 l 1 8 ； 纳米 S i O 2 掺量为 2 时， N S 4组 5 0次 和 1 0 0次 冻融 循环 后强 度损 失率 较 J Z 2组 降低 7 8 7 和 6 0 2 ；纳米 S i O 2 掺量 为 3 时 N S 5组 5 0次和 1 0 0次冻融循环后强度损失率较 J Z 2组降低 7 2 3 和 6 9 5 。 F A 3组 5 0次 和 1 0 o次 冻 融 循环 后 强 度 损 失 率 分别为 2 8 和 8 9 ；纳米 S i O ： 掺量为 2 时 ， S F 5 组 5 0次和 1 0 0次冻融循环后强度损 失率较 F A 3组 相 比。 损失率降低 3 5 7 和 5 9 6 ； 纳米 S i O 掺量为 3 时 ， S F 6组较 F A 3组相 比。损失率降低 6 4 3 和 6 7 4 。在保证混凝土抗冻性和经济性的情况下 纳 米 S i O 掺量 2 时为最优掺量 。 ( 2 ) 纳米 C a C O 的影 响 J z 2组经 5 0次和 1 0 0次冻融循环后强度损失 率分别为 4 7 和 1 1 8 ， 掺加 2 的纳米 C a C O 后 N C 3 、 N C 4组 5 0次冻融循环强度损失率较 J Z 2组降 低 5 3 2 和 6 3 8 ； 掺加 3 的纳米 C a C O 后 ， N C 3 、 N C 4组 1 0 0次冻融循 环强度损失率 较 J Z 2组降低 4 7 5 和 6 2 7 。 纳米 C a C O 对粉煤灰混凝土抗 冻性的影响趋 势类似 。F A 3组经 5 O次和 1 0 0次冻融循环后 。 强度 损失率分别为 2 8 和 8 9 ， 掺加 2 的纳米 C a C O 后 ， C F 5 、 C F 6组 5 O次冻融循环强 度损失率较 F A 3 组降低 5 0 O 和 5 3 6 ；掺加 3 的纳米 C a C O 后 C F 5 、 C F 6组 1 0 0次冻融循环强度损失率较 F A 3组 降低 5 8 4 和 7 8 7 。 2 1 4冻融循环 1 0 0次后混凝土的 S E M 图 由图 9可 以看 出 ， 水 胶 比为 0 3 5的 J Z 2组 中的 C a ( O H) ： 在孑 L 隙处富集 ， 晶体颗粒较大。经过 1 0 0次 冻融循环后 ， 由于在水结冰的膨胀压力 和过冷水 的 一 9 一 加 加 m O 加 鲫加加m O B d 罨 髓鹱 卯柏如 加m O 曹 | W， 暇幽 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m