复掺纳米材料对混凝土力学性能的影响研究.pdf

第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(.)联合基金项目企业引汉济渭联合基金资助项目(.)通信作者:司政教授:.引用格式:黄灵芝赵鹏龙司政等.复掺纳米材料对混凝土力学性能的影响研究.应用力学学报():.():.文章编号:()复掺纳米材料对混凝土力学性能的影响研究黄灵芝赵鹏龙司政柯梅尉杜晓奇(.西安理工大学水利水电学院 西安.陕西渭河生态集团 西安)摘 要:纳米材料可有效改善水泥基的力学性能和耐久性为探索纳米、对混凝土材料的增强机理研制力学性能更优的混凝土制备了 .掺量范围内单掺纳米、纳米、复掺纳米 和纳米 的混凝土试件对养护龄期为 及 的混凝土力学性能开展试验研究结果表明:纳米材料总掺量为.且纳米 掺量为.、纳米 掺量为.时改性混凝土的力学性能达到最优该复掺比例改性混凝土比普通混凝土及同掺量的单掺改性混凝土具有更优异的力学性能 采用冷场发射扫描电镜对纳米改性混凝土内部微观形貌进行观察并借助能量分散谱仪分析纳米改性混凝土的化学成分结果表明掺入的纳米 及纳米 会发生晶核作用并与()晶粒发生化学反应在混凝土内部分别生成珊瑚状、球状水化产物 凝胶及 凝胶晶核的高活性吸附凝胶在其表面聚集减少()晶粒的数量并互补填充形成密实的水化产物使混凝土结构更加紧实致密 研究成果可为高性能混凝土的研发提供参考关键词:纳米改性混凝土复掺比例力学性能水化产物晶核作用中图分类号:文献标志码:./.(.):.第 期黄灵芝 等:复掺纳米材料对混凝土力学性能的影响研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报.().().:为了提高混凝土的力学性能满足实际工程应用的需要国内外许多学者开展了相应的研究传统的研究方法包括改良混凝土制备及养护工艺、在混凝土拌合料中掺入各类化学物质或矿物纤维、改进骨料性能等 通过试验验证发现使用上述方法改良制备的混凝土大多具有良好的力学、耐久性能近年来纳米材料在混凝土中的应用逐渐引起了人们的注意许多学者发现在混凝土中掺入一定量的纳米材料即便掺量很小也可以极大提升混凝土的静、动态力学性能 文献研究发现当纳米材料掺量较大时对混凝土流动性有不利影响但掺量较低时对混凝土流动性及可加工性能影响较小此时认为对混凝土力学性能的提升作用主要在于纳米材料自身的特性 文献制备纳米 增强骨料裹浆混凝土证明掺入纳米 后混凝土界面过渡区微观结构改善骨料裹浆能力大幅提升混凝土力学及抗冻性能提升明显 文献制备了掺入纳米 及纳米 的超高性能混凝土并研究其力学性能发现其抗折强度及韧性都有较大幅度的提升 文献分别使用粉状及液态纳米 对混凝土进行改性对改性混凝土的抗压强度、碳酸侵蚀及碱骨料反应进行了研究发现纳米 可显著提升改性混凝土的力学性能及耐久性 文献研究发现纳米 具有较高的活性可以吸附水化产物在表面富集同时可以与()发生水化反应生成球状水化铁酸钙()凝胶和原有的水化产物结晶网络交叉填充改善了水泥浆体的微观结构提升了混凝土的静、动态力学性能然而可以看到上述研究多数只是针对掺加单一类型的纳米材料而对复掺两种及两种以上的纳米材料的混凝土的力学性能的研究较少 纳米 及纳米 作为比较常用的纳米材料其最优单掺量及相应的对混凝土力学性能的提升上限已经较为明确且针对两者单掺时对混凝土力学性能提升机理的研究已经比较成熟笔者注意到两种纳米材料掺入时的水化产物形态不同共同作用或可互补进一步提升混凝土的力学性能因此开展试验加以验证本研究将在混凝土中复掺纳米 及纳米借助以一定比例单掺上述纳米材料的改性混凝土进行辅助分析通过抗折、抗压试验验证单掺及复掺两种纳米材料对混凝土的力学性能的提升效果 同时使用冷场发射扫描电镜进行微观外貌观察结合能量分散谱仪()对其化学成分进行分析明晰改性混凝土宏观力学性能提升的微观机理为高性能混凝土的研发及具有复合性能的混凝土的研制提供新的思路 试验原材料及方案.试验原材料本试验采用盾石牌.水泥表 为试验所用批次水泥的主要技术指标 细骨料为颗粒级配良好的渭河中砂粗骨料为直径在 的级配连续的卵石 为防止纳米材料团聚影响试验效果减水剂选为减水率、固含量 的 型聚羧酸高效减水剂 纳米材料粒径在 之间粒径过小制备难度提升粒径过大会干扰纳米材料本身性能对混凝土力学性能影响的判断因此需要确定一个合理的粒径 为提高纳米改性混凝土的 力 学 性 能 一 般 将 纳 米 材 料 粒 径 定 为 本研究将两种纳米材料粒径均定为 纳米 及纳米 的比表面积较大表面活性高具有亲水亲油性为避免纳米材料受潮团聚在使用前应当将其密封置于阴凉、干燥的环境中其性能指标见表 拌合水为自来水 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报表 水泥的性能指标.密度/()安定性烧失量/标准稠度用水/凝结时间/初凝终凝抗折强度/抗压强度/.合格.表 纳米材料的性能指标.纳米材料形态平均粒径纯度/比表面积/()体积密度/()密度/()晶型/晶相纳米 白色粉末.球形纳米 红棕色粉末.相.试验方案.配合比设计纳米材料对混凝土的力学性能的提升有一个最佳掺量范围在最佳掺量范围内时对混凝土的力学性能提升效果最佳超出最佳掺量范围对混凝土力学性能的提升效果会减弱因此试验时需要确定掺量范围 由于试验条件及原材料性能方面的差异各学者及实验室得出的最佳掺量范围虽不一致但大多认可最佳掺量范围大多在 本试验以此掺量范围作为试验掺量试验共分为 组包括基准对照组、单掺纳米组、单掺纳米 组、复掺纳米 和纳米组 基准对照组的水灰比为.其配合比见表 中 号试件 单掺纳米 组、单掺纳米 组均设置 个掺量以纳米材料占混凝土水泥质量的.为梯度从.开始依次递增至纳米材料掺量占水泥质量的 止 复掺纳米 和纳米组以纳米材料不同总掺量分为 种情况分别为纳米材料掺量占混凝土水泥质量.、.、纳米材料总掺量为.时纳米 与纳米 掺量比为 纳米材料总掺量为.时二者掺量比为 和 纳米材料总掺量为.时二者掺量比为 、及 总的配合比共分为 组试件总数为 个在以纳米材料总掺量为变量进行分析时将单掺纳米 及单掺纳米 组也加入分析纳米改性混凝土抗压强度试验采用标准试件即规格为 的立方体试件抗折强度试验采用规格为 的长方体试件 单位立方米的纳米改性混凝土配合比见表 表 纳米改性混凝土配合比.试件序号试件编号水灰比 减水剂/水/水泥/细骨料/粗骨料/纳米 掺量/纳米 掺量/.注:表中每一个配合比对应一个试件编号 代表纳米 代表纳米 材两个数字代表两种纳米材料的掺量如编号.表示纳米 掺量为.纳米 掺量为.的纳米改性混凝土第 期黄灵芝 等:复掺纳米材料对混凝土力学性能的影响研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报.纳米改性混凝土制备与养护纳米、纳米 材料比表面积较大为避免在搅拌过程中纳米材料发生团聚现象在混凝土中形成薄弱区降低混凝土的力学性能对改性混凝土力学性能试验造成干扰应当使纳米粒子充分分散到混凝土基体中 本试验将纳米材料以减水剂改性添加物的形态加入水泥基材料中 查找相关文献发现这种制备工艺可以使纳米 更加均匀、充分地与拌合物混合更好地发挥纳米材料自身的力学性能优势在实际应用中也具有较高的可操作性.力学性能试验本研究的力学性能试验采用水工混凝土试验规程()标准中规定的抗压试验及抗折试验的方法和步骤试验采用微机控制电液伺服万能试验机.微观机理分析采用日本 型冷场发射扫描电子显微镜进行微观结构试验 与高性能 射线能谱仪()和数码成像系统配合使用可以直观观察记录混凝土内部微观结构、水化产物形态、空隙数量及大小同时显示确定混凝土微观区的化学成分组成先进行混凝土抗压及抗折试验初步获取各组中力学性能最好的具有代表性的组别:普通混凝土纳米 掺量为.纳米 掺量为.纳米材料总掺量为.其中纳米 掺量为.、纳米 掺量.的改性混凝土试样进行冷场电镜扫描并分析混凝土内部化学成分组成 试验结果与分析.改性混凝土抗压性能图()为分别单掺纳米 及纳米 材料的混凝土试件在 及 龄期下的抗压强度随纳米材料掺量变化的折线图图()为分别以不同比例复掺纳米 及纳米 材料的 及 龄期下混凝土试件的抗压强度散点图图 各改性混凝土抗压强度.由图()可以看出:单掺纳米 及纳米材料的改性混凝土的抗压强度随着纳米材料掺量增大均呈现先上升后下降的趋势抗压强度的最大值均出现在两种纳米材料掺量为.时掺量相同时单掺纳米 的改性混凝土抗压强度高于单掺纳米 材料的改性混凝土单掺.的纳米 的改性混凝土 龄期抗压强度值为.比同龄期的普通混凝土提升了 龄 期 的 该 比 例 改 性 混 凝 土 抗 压 强 度 值 为.比同龄期的普通混凝土提升了.从图()可以看出:当纳米材料总掺量为 时单掺.的纳米 的改性混凝土抗压强度最大当纳米材料总掺量为.时复掺 的纳米 及.的纳米 材料的改性混凝土抗压强度最大 龄期时抗压强度值为 比同龄期的普通混凝土提升了.龄 期 的 该 比 例 改 性 混 凝 土 抗 压 强 度 值 为.比同龄期的普通混凝土提升了.当纳米材料总掺量为.时复掺.的纳米及.的纳米 材料的改性混凝土抗压强度最大 龄期时抗压强度值为.比同龄期的普通混凝土提升了.龄期的该比例改性混凝土抗压强度值为.比同龄期的普通混凝土提升了.对比纳米材料不同组合不同掺量下的改性混凝土的 及 抗压强度复掺.的纳米 及 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报.的纳米 材料的改性混凝土强度最大对混凝土抗压性能的提升效果最佳 同时 龄期改性混凝土力学性能均有较大幅度提升说明纳米材料的掺入提升了混凝土的早期强度对提升混凝土早强有利.改性混凝土抗折性能图()为分别单掺纳米 及纳米 材料的混凝土试件在 及 龄期下的抗折强度随纳米材料掺量变化的折线图图()为分别以不同比例复掺纳米 及纳米 材料的混凝土试件在 及 龄期下的抗折强度散点图从图 ()可以看出:单掺纳米 及纳米材料的改性混凝土抗折强度随着纳米材料掺量增大均呈现先上升后下降的趋势抗折强度的最大值均出现在两种纳米材料掺量为.时掺量相同时单掺纳米 的改性混凝土抗折强度高于单掺纳米 材料的改性混凝土单掺.的纳米的改性混凝土 龄期抗折强度值为.比同龄期的普通混凝土提升了.龄期的该比例改性混凝土抗折强度值为.比同龄期的普通混凝土提升了.从图 ()可以看出:当纳米材料总掺量为 时单掺.的纳米 的改性混凝土抗折强度最大当纳米材料总掺量为.时复掺 的纳米 及.的纳米 材料的改性混凝土抗折强度最大 龄期时抗折强度值为.比同龄期的普通混凝土提升了.龄期的该 比 例 改 性 混 凝 土 抗 折 强 度 值 为.比同龄期的普通混凝土提升了.当纳米材料总掺量为.时复掺.的纳米及 的纳米 材料的改性混凝土抗折强度最大 龄期时抗折强度值为.比同龄期的普通混凝土提升了.龄期的该比例改性混凝土抗折强度值为.比同龄期的普通混凝土提升了.对比两种纳米材料不同组合不同掺量下的改性混凝土的 及 抗折强度复掺.的纳米及.的纳米 材料的改性混凝土抗折强度最大对混凝土抗折性能的提升效果最佳图 各改性混凝土抗折强度.改性混凝土微观形貌分析表 为普通混凝土和掺入不同纳米材料的改性混凝土的电镜扫描图片 由普通混凝土的低倍 图片可以看出普通混凝土内部存在大量的孔隙这些孔洞排列密集且不规则致使混凝土内部结构粗糙蓬松 由单掺纳米 改性混凝土、单掺纳米改性混凝土及复掺纳米 和纳米 改性混凝土的低倍 图像可以看出由于纳米材料的掺入改性混凝土内部孔隙减少或者孔隙直径减小到对混凝土性能影响更小的程度致使改性混凝土更加致密 对比 种改性混凝土的低倍 图片可以看出复掺纳米 和纳米 改性混凝土更加致密相比普通混凝土及另外两种单掺纳米材料的改性混凝土表面凹凸起伏更少所以其力学性能最优由普通混凝土的高倍 图片可以看出普通混凝土内部存在大量絮凝状的水化硅酸钙()凝胶同时存在较多的块状()及针棒状的钙矾石层块状()晶粒排列松散强度不足体积较大从而在混凝土内部造成了较多的孔洞对混凝土力学性能的发展不利由单掺纳米 改性混凝土的高倍 图像可以看出混凝土内部形成了第 期黄灵芝 等:复掺纳米材料对混凝土力学性能的影响研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报珊瑚状的水化产物使得混凝土内部的孔隙相比普通混凝土大量减少从而直接优化了混凝土内部结构 原因在于:纳米 粒径虽然很小但是有较大的表面效应及尺寸效应具有较多的不饱和键可以通过和其他原子结合而进入稳定状态 纳米以其自身为结晶核加速水化反应的进行从而生成更加致密的水化产物减少了对混凝土不利的层块状()晶粒的数量 纳米 材料可以和 ()发 生 反 应 生 成 凝 胶 消 耗()晶粒也可以达到减少该晶粒数量的效果因此单掺纳米 的改性混凝土力学性能优于普通混凝土由单掺纳米 的改性混凝土的高倍 电镜图片可以看出混凝土内部生成了大量堆积密实的球状水化产物水化铁酸钙()其粒径极小致使混凝土内部空隙减少优化了混凝土结构原因在于掺入的纳米 的尺寸效应导致的高表面活性会促进水泥水化产物在其上的沉积纳米 也可以和层块状()晶粒发生水化反应生成球状 凝胶填补混凝土结构内部的空隙同时纳米 发挥晶核的作用吸附附近的水化产物形成了致密的网络结构从而填充了混凝土内部的空隙提升了混凝土的力学性能由复掺纳米和纳米 改性混凝土的高倍 图像可以看出混凝土内部有大量的珊瑚状水化产物和球状水化产物富集珊瑚状水化产物 凝胶虽然强度较高、稳定性好但在空间上也会有许多空隙而球状水化产物 凝胶及纳米 粒径较小可以较好地填补这部分空隙同时由于水化放热两种水化反应可以相互促进 消耗更多的层块状()晶粒生成更多的 凝胶及 凝胶进一步弥补了混凝土内部的空隙提升了混凝土的力学性能表 纳米改性混凝土电镜扫描图片.普通混凝土电镜图片单掺 混凝土电镜图片单掺 混凝土电镜图片复掺纳米改性混凝土电镜图片低倍 倍 倍 倍 倍 倍 倍 倍 倍高倍 倍 倍 倍 倍 倍 倍 倍 倍 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报.改性混凝土化学成分分析图 为各改性混凝土的 谱图 表 为各改性混凝土的 分析结果如表 所示普通混凝土中/.()/.此时 凝胶是主要水化产物其他水化产物相对较少具有经典的普通混凝土的化学成分构成纳米 改性混凝土中/.相比普通混凝土钙硅比下降了.结合纳米 改性混凝土的 图像可以看出()晶粒相比普通混凝土大大减少说明更多的()与纳米 发生了反应生成了其他的水化产物减少了混凝土内部的孔隙提升了混凝土的力学性能 当纳米 过量时过多的纳米 无法与()发生反应其自身的过大的比表面积却会吸附较多的自由水从而减缓水泥水化反应的进行 同时纳米 自身容易发生团聚在混凝土内部产生薄弱区降低混凝土的密实度及混凝土的力学性能纳米 改性混凝土中的密实堆积的球状水化产 物 主 要 由 和 组 成 其 中 元 素 为 元素为.元素为.分析认为纳米 与块状()晶粒反应生成了凝胶同时纳米 表面富集了 凝胶等水化产物减少了混凝土内部的孔隙增强了混凝土的力学性能 由于纳米 自身的比表面积小于纳米 且其活性低于纳米 所以相同的纳米材料掺量下纳米 对混凝土力学性能的提升效果低于纳米 材料复掺纳米材料改性混凝土中/.此时 凝胶及 凝胶是主要水化产物其他水化产物较少纳米 与纳米 表面活性及对()晶粒的消耗能力不同但两种纳米材料与()晶粒的水化反应放出大量水化热可以相互促进提高混凝土中纳米 的饱和上限消耗更多的()晶粒使得混凝土内部更加致密提升了混凝土的力学性能所以在纳米材料掺量一致的情况下复掺纳米 和纳米 的改性混凝土比单掺纳米 和纳米 的改性混凝土力学性能优异图 各改性混凝土 谱图.第 期黄灵芝 等:复掺纳米材料对混凝土力学性能的影响研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报表 各改性混凝土的 分析结果.组别原子百分比/普通混凝土.单掺纳米.单掺纳米.复掺纳米 和纳米.结 论本研究在混凝土中复掺纳米 及纳米与单掺上述纳米材料的改性混凝土进行对比分析通过力学性能试验验证单掺及复掺两种纳米材料对混凝土的力学性能的提升效果 同时使用冷场发射扫描电镜对改性混凝土内部进行微观形貌观察结合能量分散谱仪对其化学成分进行分析结论如下)纳米材料总掺量为.且纳米 掺量为.、纳米 掺量为.时改性混凝土的力学性 能 达 到 最 优 龄 期 时 抗 压 强 度 值 为.比同龄期的普通混凝土提升了 抗折强度值为.比同龄期的普通混凝土提升了.龄期时抗压强度值为 比同龄期的普通混凝土提升了.抗折强度值为.比同龄期的普通混凝土提升了.)通过 图片结合能量分散谱仪对纳米改性混凝土的进行分析纳米 及纳米均可发挥晶核作用及填充作用尺寸效应导致的高表面活性会吸附水化产物在其表面沉积两种纳米材料均可以与()晶粒发生水化反应分别生成珊瑚状的 凝胶和球状的 凝胶两种水化反应可以相互促进提高纳米材料对混凝土力学性能发挥正作用时的含量上限从而消耗更多()晶粒的数量在形态上纳米 与 凝胶可以填充 凝胶内部及混凝土内部的空隙改善混凝土内部的微观结构使混凝土基体更加致密提高混凝土的力学性能从而进一步增强混凝土的力学性能参考文献:陈宗平周济陈宇良等.珊瑚粗骨料海水混凝土力学性能试验研究.应用力学学报():.():().喻建伟张朝阳孔祥明等.内掺硅烷乳液憎水剂对混凝土性能的影响.硅酸盐学报():.():().王振山李浩炜吴波等.玄武岩纤维混凝土的耐碱腐蚀性及力学性 能 试 验 研 究 .应 用 力 学 学 报 ():.():().张粉芹王海波王起才.掺合料和引气剂对混凝土孔结构与性能影响的研究.水力发电学报():.():().邢蓉.纳米 和纳米 掺量对混凝土性能的影响.人民黄河():.():().():.:.:.高国华黄卫东李传海.纳米 增强骨料裹浆对混凝土抗冻性能的改善.建筑材料学报():.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 ():().袁连旺.纳米 改性混凝土的抗氯离子渗透和抗冻性能研究.济南:济南大学.徐晶王彬彬赵思晨.纳米改性混凝土界面过渡区的多尺度表征.建筑材料学报():.():().黄政宇曹方良.纳米材料对超高性能混凝土性能的影响.材料导报():.():().():.():.():.():.李惠欧进萍.智能混凝土与结构.工程力学(增刊):.():().李固华高波.纳米微粉 和 对混凝土性能影响.铁道学报():.():().侯学彪黄丹王委.掺纳米 高性能混凝土研究进展.混凝土():.():().张伟.纳米 改性补偿收缩混凝土侵蚀试验研究.淮南:安徽理工大学.梁圣崔宏志徐丹玥.纳米 改性轻骨料混凝土性能.复合材料学报():.():().:.():.张县云宋学锋高瑞.纳米硅溶胶对水泥砂浆力学性能的影响及其作用机理初探.硅酸盐通报():.():().徐晶王先志.纳米二氧化硅对混凝土界面过渡区的改性机制及其多尺度模型.硅酸盐学报():.():().张鹏李清富韩菊红等.纳米粒子和钢纤维增强混凝土断裂能研究.水力发电学报():.():().(编辑 张璐)