掺纳米SiO2高性能混凝土研究进展.pdf

2 0 1 3 年 第 3 期 (总 第 2 8 1 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0l 3 ( To t a 1 No 2 81 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 3 0 0 2 掺纳米 S i O2 高性能混凝土研究进展 侯学彪 1 , 2 ，黄丹 1 ,2 ，王委 ( 1 水文水资源与水利工程科学 国家重点实验室 ，江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ；2 河海大学 工程力学系，江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要： 纳米材料的问世及其在诸多工程领域的成功应用 ， 为改善传统混凝土 的性能开辟了新途径。 纳米 S i O 粉体因其特殊的 表面与界面效应以及来源广泛 、 经济性好等特征 ， 成为 目前纳米混凝土研究中最常见的纳米改性剂。 综述了目前国内外掺纳米 S i O ： 高性能混凝土的制备工艺 、 工作性能 、 力学性能和耐久性等相关研究 ； 并结合本研究组 的试验成果 ， 分析 了纳米 S i O 粉体掺量对 纳米混凝土强度 的影响规律 以及纳米材料对混凝土强度的改善机理； 概述了纳米 s i ( ) 2 对混凝土 自收缩性能、 抗氯离子渗透性能 、 抗冻耐久性的影响 ， 并对掺纳米 S i O ： 高性能混凝土的未来研究方向提出了积极建议。 关键词 ： 高性能混凝土 ；纳米二氧化硅；制备方法 ；力学性能 ；耐久性 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 0 5 0 5 Re c e n t p r og r e s s on h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e w i t h n a n o- Si 02 p a r t i c l e s HOUXu e b i a o1 ,2 HUANGDa n WANG W e i ， ( 1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H y d r o l o g y Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n d Ma t e ri a l s ， H o h a i U n i v e r s i t y ， N anj i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e s u c c e s s f ul a pp l i c a t i o n o fnano ma t e r i a l s t o va r i o u s e n g i n e e ring fie l d s s h o ws a p r o mi s i n g a l t e r n a t i ve wa y o f i mp r o v i ng t h e pe rfo r man c e o fa dit i o na l c o nc r e t eNa n o Si O2 i s o n e of t he mos t wi de l y u s e d s u pp l e me nt s i n n a n o c o n c r e t e an d c o n c e r n e d s tud i e s be c a u s e o f i t s s p e c i a l s urf a c e a n d i n t e rf a c e e ff e c t s ， and h i 曲 e c o n o m i c a l e ffic i e n c y R e c e n t r e s e a r c h e s o n wo r k a b i l i t y a n d me c h a n i c a l p r o p e i e s o f c o n c r e t ewi t hNa n o S i 02 we r e r e v i e we d ， a n d s tud i e d o np r e p a r a t i o nme tho d， wo r k a b i l i t y ， me c h a n i c a l p r o p e rt i e s a n dd ura b i l i ty o f h i g hp e r f o r man c e c o n c r e t e wi t h Nan o Si 02 we r e i n t r o d u c e d Ba s e d o n e x pe r i me n t a l r e s u l t s ， t he e ffe c t o f d o s a g e o f Na no - S i O2 o n t he s e n g t h o f l l a no c o n c r e t e wa s a n a l y z e d， a nd t h e i n flu e n c e o fNan o S i O2 o n t he s e l f - s h r i n ka g e p r o pe r t y， r e s i s t an c e a g a i n s t pe r me a t i o n o f c h l o rid e i o n and ant i f r e e z i n g d ura b i l i ty o f c o n c r e t e we r e ana l y z e d S o me v a l u a b l e a d v i c e f o r t h e f u l t h e r r e s e a r c h e s i n t o h i 曲 p e rf o rm anc e c o n c r e t e wa s a l s o p r e s e n t e d K e y wo r d s ： h i 【g h p e rf o rm anc e c o n c r e t e ； Na n o S i O2 ； p r e p a r a t i o n me t h o d ； me c h ani c a l p r o p e r t i e s ； d ura b i l i ty 0 引 言 水泥混凝土是一种传统的建筑材料 ， 随着人 口不断增 长和工业化深入发展 ， 混凝土的用量也在不断增加 。 混凝土 是经济发展和工业建设的重要基础原材料之一 ， 在我 国的 需求量为材料之最。 目前， 我国每年建造房屋约 2 0 亿 m ， 高 速公路约 5 0 0 0 k m， 还有大量的铁路 、 桥梁 、 港 口等基础建 设 ， 仅混凝土就需要 4 0 亿 m3 年 _1 1 。 但是 ， 普通水泥混凝土 刚性过大而柔性不足 ， 以及混凝土材料本身固有 的结构缺 陷 ， 使其在使用过程 中不可避免产生开裂 、 破坏 ， 限制 了它 在许 多领 域中的应用 2 - 3 。 随着科技 的发展 ， 制备 和应用技 术也进一步发展 ， 采用新科技 、 新工艺改造传统材料 ， 对提 升性能 、 拓展其应用领域具有重要意义。 纳米材料指 颗粒尺寸在纳米 量级( 1 1 0 0 n m) 的超 细 材 料 ， 其尺寸大于原子簇 ( 尺寸小于 l n m 的原子聚集体 ) 而小于通常的微粉 ， 处在原子簇和宏观物体的过渡区域 ， 是一种 典型的介观系统 ， 包括金属 、 非金属 、 有机 、 无机 和 生物等 多种颗粒材料 。 由于其小尺寸 ， 具有特殊 的四种效 应 ： 尺寸效应 、 量子效应 、 表面效应和界面效应 。 这 四种效 应使纳米材料在结构 、 物理和化学性质等方面具有诱人 的 特 征4 ， 被称为 “ 2 1 世纪最 有前途 的材料 ” 。 研究表 明 ， 在 混凝土中添加适量 的纳米材料 ， 能增强火 山灰反应并 改善 ? 昆 凝土 的微 观结构 ， 从而提高其各项性 能。 近 四十年来 ， 已 有许多研究者对硅粉改善界面结构 、 细化界面氢氧化钙晶 粒和降低界面氢氧化钙的取 向程度作了研究 ， 取得了一定 的成果 ， 但还有进一步研究的余地。 由于纳米 S i O ： 和硅粉 成分基本相 同， 因此 ， 通过试 验研究掺加纳米 S i O 混凝土 的制备方法和各项特性 ， 具有很重要 的工程 意义。 1 掺 纳米 s i o 混凝土的制备 工艺 将纳米材料应用于水泥基材料， 尤其是对混凝土进行 收稿 日期：2 0 1 2 1 0 1 9 基 金项 目：国家 自然科学基金 ( 5 1 2 0 9 0 7 9 ， 1 1 1 3 2 0 0 3 ) ； 江苏省 自然科学基 金( B K 2 0 1 0 5 1 4 ) 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 改性的研究已经有 了初步成果 ， 但是结果还比较分散。 水泥 硬化浆体是 由众 多颗粒 ( 水化硅 酸钙 即 c S H凝胶 ) 和众 多纳米级空隙( 结构缺陷 ) 以及 尺寸较大 的结 晶型水化产 物组成 ， 将具有微粒性和高活性 的纳米 S i O 掺人到混凝土 中， 能够达到提高混凝土力学性能和耐久性能的 目的。 合适的搅拌工艺可以使混凝 土具有 良好的工作性 、 力 学性能和耐久性能。 对掺加纳米材料的混凝土来说 ， 选择合 适的搅拌工艺尤其重要 。 纳米颗粒充分均匀地分散到水泥 浆或拌合物 中， 才能有效发挥纳米材料的特殊性能 。 目前纳米材料掺加方法 主要有 ： 一是试验前预先将纳 米微粉和水泥在干燥状态下采用机械搅拌充分混合均匀 ， 再与其他组成材料拌制成 昆 凝 土网 ； 二是将纳米颗粒以减 水剂改性添加物的形态加入水泥基材料 中啊 。 考虑纳米材料的特点 ， 张茂花 8 等人 曾提出， 纳米混凝 土的搅拌工 艺宜遵循 以下原则 ： 纳米颗粒表面能极 大 ， 应避免其与骨料先行混合 而过多 吸附在骨料表面从而影 响纳米颗粒在水泥石 中的分散 。 纳米颗粒与水 泥先行干 拌 ， 会分隔成一个个 小纳米 颗粒 团聚体 ， 对纳米颗粒的分 散很不利。 发挥分 散剂 的作用 ， 将纳米颗粒与分散剂水 溶液搅拌 ， 能有效防止纳米 颗粒过 多吸附在容器 内壁上 。 纳米颗粒分散度与搅拌速率有关 ， 与搅拌时间关系不大 ， 宜采用高速搅拌 。 先将外加剂 、 水和纳米颗粒搅拌 ， 再将 混合液加入到粗 、 细骨料和水泥拌合物 中的搅拌顺序可提 高流动性。 宜采用高频振动 台振动成型。 参考上述原则 ， 本研究组设计了两种纳米混凝土的制 备方式 ： 减水剂 +大部分水一搅拌均匀 + 纳米 S i O 一手工 高速搅拌均匀成混合液( 间歇性加入适量消泡剂 ) ； 在强制 式混凝土搅拌机 中： 石子 + 砂 + 水泥一搅拌 均匀 +减水剂 、 水和纳米 S i O 的混合液 + 剩余部分冲洗水 一搅拌均匀成 混凝土拌合物。 过程如图 1 所示。 图 1 纳 米 Si Oz 混凝 土的 制备 方法 减水剂 +大部分水一手工高速搅拌均匀成混合液 ( 间歇性加人适量消泡剂 ) ； 在强制式混凝土搅拌机中 ： 石子 + 砂 +水泥 + 纳米 S i O 一搅拌均匀 + 减水剂 、 水 的混合液 + 剩余部分冲洗水一搅拌均匀成混凝土拌合物。 过程如图 2 所示 。 试验时纳米 S i O ： 混凝土分别以上述两种方式制作 1 掺量的试块并 比较强度 ， 从力学性能的角度分析两种制 法的优 劣。 试验结果见表 1 ， 由此我们看 出： 从力学性能 的 角度 ， 制备方 法对混凝土强度的提高作 用更 明显 ， 因为 方法将外加剂、 水和纳米 S i O 搅拌成混合液再与骨料和 6 图 2 纳米 S i O 混凝土的制备方法 水泥拌合物进行搅拌的顺序 ， 使得纳米 S i O 颗粒分散于分 散剂 的水溶液中 ， 避免了方法被分隔成团聚体分布于水 泥中的情况， 提高了混凝土拌合物的流动性 ， 使得纳米 S i O ： 颗粒较均匀地分布于水泥石 中， 对混凝土强度的提升作用 得到了增强 。 表 1 混凝 土 的强度 混凝土类型 抗压强度 MP a劈裂抗拉强度 MP a弹性模量 G P a 2 掺纳米 S i O 混凝 土的工作性 能 混凝土 良好的工作性要求有好的流动性 以利 于运输 、 浇筑 ； 良好的填充性 ， 能填充密布的钢筋间隙和模板角落 ； 还要求具备 良好的黏聚性 ， 不分离 、 不泌水。 同样 的水胶 比和减水剂 掺量下 ， 分别掺入 纳米 S i O ： ( N a n o S i O ： ， 以下简称 N S ) 和硅 粉。 随着 NS的掺人 ， 水泥 净浆的稠度逐渐变稠 ， 而 随着硅粉( 以下简称 S F ) 的掺入 ， 水泥净浆的稠度逐渐变稀。 而同时， 随着 N S的掺人 ， 水泥 净浆的凝结时间逐渐变短 ， 初凝与终凝 时间差也逐渐减小 ， 而 s F的掺人 ， 水泥净浆的凝结时间却逐渐延长 ， 初凝 与终 凝 时间差逐渐减小而且递 减程 度大于前者9 1 。 因此 ， N S和 S F 对水泥净浆的凝结时间的改变是不一样 的， 前者使其缩 短， 后者使其变长。 可见NS的掺入使得混凝土的流动性变 差 ， 同时 N S比 s F 更 能促进水泥的早期水化 的进行。 但也 有资料 为当纳米材料掺量极少( 0 0 1 左右 ) 时 ， 纳米材 料能够 填充微小空隙 ， 将水泥进一步分散 ， 提高水 泥净浆 的流动性 ， 作减水剂使用 。 郭宝林等f l删 人采用坍落度和扩展度来表征混凝土的 工作性 ， 采用调整塑化剂掺量来保证混凝土工作 性要求 。 结果表明 ： 随着 NS的掺人 ， 要达 到相同的坍落度或扩展度 需掺入更多 的超塑化剂 ， 即掺入 N S会降低混凝土的坍落 度和扩展度。 李 固华_ l l 】对 比了掺加纳米 S i O 和纳米 C a C O 后混凝土的性能 ， 发现掺入纳米 S i O 后 ， 混凝土拌合物变 得黏稠 ， 流动性迅速下降。 本研究组采用坍落度( 1 、 2 h ) 来表征混凝土的工作性 能 ， 在普通混凝土配合 比的基础上 通过在混凝土 中等量 取 代 水 泥 的 方 式 掺人 0 5 、 1 0 、 2 0 和 3 0 的纳 米 S i O ： ， 以此来测试纳米 S i O 掺量对混凝土工作性能的影响。 结果见图 3 。 从图 3中可 以看 出： 掺人纳米 S i O 后 ， 混凝土拌合物 的坍落度 明显下降 ； 随着掺量的增加 ， 混凝 土拌合物坍落 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 害 吕 、 越 艇 宝 纳米Si O 掺量 图 3 纳米 S i O 含量对混凝土坍落度的影响 度下降越多 ， 其黏滞性增加 ， 主要是 因为纳米 s i O 极大 的 比表面积使得水泥浆体 的需水量急剧增加。 因此 ， 从混凝土 拌合物工作性的角度来 看 ， 纳米 S i O ： 的掺量是有 限的； 考 虑到纳米 S i O ： 颗粒不易分 散等原 因 ， 其掺量也不宜过高 。 另外 ， 相 比水泥 ， 纳米 S i O 售价( 目前市价 6 0 元 k g ) 较高 ， 合适的掺量也有助于混凝土成本的控制 。 3 掺 纳 米 S i O， 混凝 土的力学性能 3 1 掺 纳米 s i o， 混凝 土的强度 纳米 S i O 具有 良好的火 山灰活性 ， 需水量大于水泥 ， 在合适的范 围内， 随着掺人量 的增加 ， 混凝 土的各 龄期强 度 均有所提高1 2 - 堋， 其对早期 强度 的提升作用 明显 ， 对后期 强度影 响较弱 ； 从对混凝土强度提升 的角度看 ， 纳米 S i O 存在一个适宜掺量范 围， 超过这个范围后 ， 纳米 S i O ： 的掺 人反而导致混凝土各项强度的下降 】 o 3 。 由于测试条件 和原 材料等方面的不统一， 目前对纳米 S i O 最佳掺量的研究结 果呈现了一定程度的不一致 1 1 - 14 ,3 7 - 3 目 ： 郭宝林、 叶青 得出 在抗压强度提升的角度纳米 S i O 最佳掺量为 3 左右 ； 李 固华 1 1 认为 0 5 1 0 是提高混凝 土强度 的纳米 S i O ： 适 宜掺量 ； 而王保民 的研究表 明 3 5 的掺量应该作 为单 纯提高混凝土抗压强度的适宜掺量 。 本研究组在进行掺纳米 S i O 混凝土力学性能试验时 ， 按照国家标准 G B T 5 0 0 8 1 - 2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性 能试 验方法标 准 的要求进行 。 试验设备 为 T Y E 2 0 0 B型压力 试验机 ， 分别测试混凝 土的立 方体抗 压强度 、 劈裂抗拉强 度 、 抗折强度。 每一个测试含 5 组试件 ， 包括普通混凝土和 S i O 2 掺量分别为 0 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 、 3 0 的四组试件 。 养护龄期为 7 、 2 8 d ， 按照上述标准进行相关试验 。 试验结果 见图 4 6 纳米S i O 掺量 ， 图 4混凝土的立方体抗压强度 由图 4 6 看 出， 随着纳米 S i O 的掺人 ： 混凝土 的立 方体抗压强度逐渐提 高 ， 在掺量为 1 5 时最 高 ， 之后会逐 渐下降。 混凝土 7 d 抗压强度最多提高 1 7 1 ， 而 2 8 d 最多 皇 、 骥 辖 援 窖 廷 纳米S i O ： 掺量 ， 图 5 混凝土的劈裂抗拉强度 纳 米 S i O 掺 量 ， 图 6混凝土的抗折强度 提 高 7 4 ， 后期提升效果不如前期明显 ； 混凝土 的劈裂 抗拉 强度逐渐提高 ， 掺量为 1 5 时最高 ， 之后逐 步下降 。 混凝土 7 d劈裂抗拉强度最多提高 4 3 ， 2 8 d 最 多 2 2 2 ； 混凝土的 7 d 抗折强度快速提高 ， 掺量 2 0 时最高 ， 之后 逐步下降。 而混凝 土的 2 8 d 抗折强度 ， 则一直呈下降趋势 ， 掺量越高 ， 下 降越多 。 本研究组 的结果 表明 ： 对混凝 土的力 学性能提升的角度来看 ， 1 5 2 0 是纳米 S i O 掺加 的适 宜范围。 3 2 纳米 S i O， 对 混凝 土强度 的作用机 理 纳米 S i O 对混凝土力学性能的提高 主要是 因其特有 的小尺寸效应和表面效应 ， 其化学活性和催化活性都较普 通颗粒发生 了很大变化 。 纳 米 S i O ： 对混凝 土强度 的作 用 机理可 以从下面四个方 面来解释 ： ( 1 ) 7 d 龄期内， 水泥浆体和骨料表面大量生成的 C a ( O H ) 2 不利于黏结强度 的增长， 对混凝土的早期强度也不利 ， 纳米 S i O 颗粒具有很高 的火 山灰活性 ， 与 C a ( O H) 反应很快 ， 于是有效地细化 了 c a ( 0 H) 晶粒 ， 减少了碱集料反应和硫 酸盐 侵蚀的可能性 。 提高 了水泥浆和骨料 的界面强度 ， 从 而最终提高混凝土早期 的抗压和抗折强度9 , 1 1 。 本研究组对掺入 1 5 纳米 S i 0 水泥砂浆 中水泥石 微 观结 构进行 了 S E M 观察 ， 发现纳米水 泥砂浆 中水泥石 的 微 观结构均与整齐 、 质地密实 ， 没有 大量 明显的 C a ( 0 H) ， 晶体存在 ， 因此 纳米 S i O 对砂浆 的增 强作用在 于改善 了 水泥石的微观结构 ， 见 图 7 。 ( a ) 水泥石 ( b ) 掺纳米S i O 的水泥石 图 7 水 泥石 微观 结构 SEM 图 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 2 ) 纳米 S i O 与 c a ( 0 H) 。 反应放出大量水化热 ， 促进 了水泥水化反应 的进行 ， 从而提高了混凝土的早期强度。 ( 3 ) C a ( O H) ： 与纳米 S i O 反应 ， 转化成 比表面积大 、 胶 结力强的水化硅酸钙 ( c s H) 凝胶 ， 使得水泥 的强度提高 ， 骨料表面 c a ( 0 H) ： 降低 ， 改善 了水 泥浆体与骨料过 渡区 的结构( 图 7 ( b ) ) ， 从而提高了混凝土的早期强度。 ( 4 ) 混凝土内部相对湿度降到某个临界值时， 水化就 会停止。 纳米 S i O ： 的比表面积极大 ， 与水拌和后 吸附的表 层水数量很大， 使得参与水化的水数量减少 ， 从而降低了 水泥的水化程度 。 在水泥水化早期 ， 前三种作用 占据主要 地位 ， 所 以能提高混凝土的早期强度 ； 到水化后期 ， 第 四种 作用更 为重要 ， 所以掺人纳米 S i O 对混凝 土后期强度 的 提升作用不明显 ， 如果掺量超过 2 ， 甚至会导致混凝土强 度下降。 4 掺 纳米 S i o 混凝 土的耐 久性 能 4 1 掺纳米 S i O， 混凝土的 自收缩性能 L y ma n 在 1 9 3 4 C 年首 次提出混凝土“ 自收缩” 概念时 ， 定义如下 ： “ 通常认 为 ， 水化铝酸钙与与水化硅酸钙凝胶的 生成服从凝胶形成规律而产生 的体积减小 。 将这类收缩称 之为 自生收缩 ( 简称 自收缩 ) ， 能够很容易地 同其他 因温度 或湿度改变而 引起 的收缩 区别 开来” 。 1 9 4 0 年 ， D a v i s t t司 提 出“ 混凝土的 自身体积变形应定义为因其 内部本身的物理 和化学转化而引起的体积变形 ， 而非下列因素引起： 水分 的蒸发与侵入、 温度的升降、 外部荷载或受约束而产生应 力” 。 D a v i s 进一步指出 ， 普通 混凝土 的 自收缩与 由湿度或 温度引起的收缩相 比非常小 ， 从 总的收缩中区分出 自收缩 很难也没有必要 。 2 0 世纪 9 0 年代 E t 本 自收缩委员会对 自 收缩给出如下定义 ： 胶凝材料初凝后发生 的宏观体积 的 缩小 ， 其 中不包括因与外界环境发生物质交换 、 温度变化 和施加外部荷载或约束而产生 的收缩 。 混凝土的收缩变形主要包括化 学收缩 、 塑性 收缩 、 温 度收缩 、 干燥收缩、 碳化收缩 和 自收缩 等 6 种 主要形式。 其 他收缩 的定义及其影响因素参见文献 1 8 2 2 。 通过对混凝 土的各种收缩进行研究 ， 安明酷等 认为 ， 自收缩 与温度 收缩可能是引起高强混凝土初期裂缝 的主要原因。 而对于 自收缩测试结果 的不 一致 ， J e n s e n u J 等认为 自收缩 测试方 法 不一致是其 主要原因 。 由于没有统一 的测试 标准 和设 备 ， 不 同学者 的结论也不一致 。 自收缩测定 的初始 点也因 人而异 ， 测试试件尺寸也不统一 - 。 目前常用 的测试 方法主要有 ： E t 本广 岛大学 T a z a w a 方法 、 清华大学安明 酷法 、 R a d o c e a 法阎、 同济大学龙广成法 、 哈尔滨工业大 学巴恒静法t3 o l 等。 掺人纳米 S i O 后， 混凝土的自收缩呈现了这样的规律： ( 1 ) 纳米 S i O 的掺量越大 ， 混凝 土早期 自收缩应变 的 增长速率越快 。 ( 2 ) 水胶 比的不 同导致 了纳米 S i O 对 自收缩影响的不 同： 水胶 比较小时 ， 整个测试过程中， 掺纳米 S i O 混凝土的 自收缩都比普通 昆 凝土大， 尤其在初凝后数小时内； 水胶 8 。 比较大时， 掺入纳米 S i O 导致混凝土早期 自收缩相 比普通 混凝土变大 ， 同时后期 自收缩增长速率小于普通混凝 土。 这可能是 因为掺人纳米 S i O ： 后 ， 水化加快 ， 在较短时间 内 混凝 土内部 的相对湿度降低到水化所需的最低临界值 。 ( 3 ) 所有配合 比混凝土在 3 0 7 2 h 期 间， 自收缩增长缓 慢 ， 有的甚至 出现膨胀 3 1 ， 此现象在安 明晶吲， A i, t c i n 3 2 1 等 的 试验中也 曾出现 。 可能是 因为在这一 阶段水泥水化反应剧 烈 ， 混凝土受热膨胀 ， 从而抵 消了部分 自收缩 ， 3 d龄期后 自收缩又会逐步增加 。 4 2 掺纳米 S i o， 混凝土的抗渗性 能 抗渗性是混凝土最根本的性质之一 ， 混凝土耐久性 的 很多方面都取决于其抗渗性 的优劣。 如果混凝土的抗渗性 高 ， 水分及侵蚀性 离子就不易到达混凝土内部 。 此外 ， 对混 凝土 的耐久性而言 ， 除了水分渗透 ， 还必须考虑 c l 一 的渗透 引起 的内部钢筋侵蚀破坏 。 李 固华 3 3 的研究表明 ： 在各龄期 ， 纳米 S i O 均能提 高 混凝土抗氯离子渗透性 。 早期效果较显著 ， 后期效果有所降 低 。 同时 ， 混凝土的氯离子渗透性随着纳米 S i O ， 掺量的提 高而降低 ； 掺量 3 时效果最好 ， 龄期为 2 8 、 9 0 、 1 8 0 d氯离 子渗透性分别 为同龄期普通混凝土的 6 2 、 7 8 、 6 9 。 不 同的研究对纳米 S i O 最佳掺量的结论也不完全一致嘲 ， 但 相差不大。 氯离子在混凝土中的扩散路径主要有 3 种 ： 水泥浆中 的连通孔隙 、 骨料中的连通孔 隙 、 水泥浆与骨料间界面 内 的连通孔隙。 因为纳米混凝土是在普通混凝土配合 比基础 上用纳米 S i O 等量取代水泥 ， 骨料 中的连通孔 隙没有变化 ， 所 以纳米 S i O 混凝土抗渗性 的改善 主要在 于水泥浆 中连 通孔隙以及水泥浆与骨料间界面内连通孑 L 隙的减少。 混凝土抗渗性的提高或降低， 究其根本， 关键在于混 凝 土孔结构 的改善或劣化。 掺入纳米材料后 ， 混凝土 的孔 结构得到细化和改善， 抗渗性提高； 随纳米材料掺量的不 同 ， 混凝土抗渗性的变化趋势与其孔结构的变化趋势完全 一 致 。 4 3 掺 纳米 s i o， 混凝土的抗冻耐久性 混凝土 的抗冻耐久性是指混凝土在极度潮湿 的环境 中 ， 经多次冻融循环后仍保持其使 用性能 的能力 。 2 0 世 纪 9 0 年代 ， 美 国学者 Me h t a P k 就指 出 ， 影 响混凝 土结 构 耐久性 的主要 因素按破坏能力 由大到小依次是钢筋锈蚀 、 冻融破坏 、 碱硅 反应和硫酸盐侵蚀3 5 。 混凝 土受冻破坏 的 形式主要有两种 ： 表面剥落与内部开裂。 目 前典型的试验研究方法主要有三种 ： 美 国试验与材 料协会 的 A S T M C 6 6 6 法 ， 基 于瑞典学者 F a g e r l u n d 混凝土 冻融耐久性 的临界饱 和度理论 的临界水饱和度法 ， 我 国 现行试验方法 。 参照 国家标准 G B J 8 2 8 5 普通混凝土长 期性能和耐久性能试验方法 中以质量损失或相对动弹模 界 限为标 志的快冻法 ， 张茂花阍 和王保 民分别进行 了掺 加纳米 S i O 混凝土的冻融试验 ： 高强高性能混凝土在冻融 循 环破 坏时 ， 其质量损失非常小 ， 仅有少部分表层 浆体剥 落 ， 最大质量损失不超过 0 5 。 最大冻融 次数前各循环时 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 间点掺人 纳米 S i O ： 的混凝土抗冻耐久性系数均 比不掺纳 米 S i O 的有所提高 。 5结 语 本研究综述 了在混凝土中掺加纳米 S i O ： 的制备方法 、 工作性 能 、 力学性能及耐久性能等方面 的最新研究进展 ， 并通过与本研究组的试验结果进行对 比分析 ， 考察了纳米 S i O 的掺量对混凝土强度的影响规律及其作用机理。 在纳米材料混凝 土的研究 中， 对力学性能的相关研究 较多 ， 并取得 了大量有意 义的成 果 ， 但 相对而言对纳米混 凝土耐久性能 的研究较少 ， 目前 尚处于初步阶段 ， 需要进 一 步深入 研究 。 通过定量 分析纳米 S i O 水化过程 中的水 化产物和反应速度 ， 可 以深入研究 掺纳米颗粒高性能混凝 土的力学性能 、 耐久性提 高的内在机理 ； 可以对不同纳米 外 加剂如纳米 C a C O 、 纳米 A l 2 0 ， 等对混凝土性 能的影响 进行对 比研究 ， 以充分发挥纳米材料对传统混凝土性能 的 提升作用 。 此外 ， 将纳米材料 的其他特殊性能引入特种混凝 土的研究 中， 进行超高强度混凝土 、 自修复混凝 土、 抗腐蚀 混 凝土 、 吸震混凝 土 、 环保混凝 土 、 智 能混凝 土等相关研 究 ， 同样是非常有意义的。 参考文献 ： 【 1 】 张仁瑜 建筑材料新进展及工程应用 M E 京 ： 中国建材工业出 版社 ， 2 0 0 0 2 2 申爱侵， 李祝龙 聚合物乳液改性水泥混凝土的微观结构 J 混 凝土 ， 2 0 0 1 ( 3 ) ： 4 0 4 2 3 】张雄 ， 习志臻 1 方生 自愈合混凝土的研究进展 J _ 混凝土 ， 2 0 0 1 ( 3 ) ： 1 0 1 3 4 】许并社纳米材料及应用技术 M 北京 ： 化学工业出版社 ， 2 0 0 4 5 张立德纳米材料【 M 】 北京： 化学出版社， 2 0 0 0 6 叶青 纳米复合水泥结构材料的研究与开发【 J 】 新型建筑材料， 2 0 0 1 ( 1 ) ： 4 - 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c r e t 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 3 ， 3 3 ( 1 0 ) 2 7 1 MA Z L OO M M， RA ME Z A NI A NP O UR A A， B ROO KS J J E f f e c t o f s i l i c a fume o n me c h a n i c al p r o p e rt i e s o f h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e J C