付春梅，齊善忠

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004）

納米水泥混凝土抗凍性能研究

付春梅，齊善忠

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004）

通過比較摻納米CaCO3和摻納米SiO2對(duì)混凝土抗凍性能的改善效果得出：在水泥混凝土中摻加一定量的納米CaCO3和納米SiO2，均能顯著減小其凍融循環(huán)造成的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率，即納米材料的加入提高了混凝土的抗凍性能。

混凝土抗凍性；納米CaCO3；納米SiO2；質(zhì)量損失率；強(qiáng)度損失率

0　引言

水泥混凝土由于造價(jià)低、耐久性好，成為當(dāng)今世界用途最廣、用量最大的人工建筑材料之一。然而，混凝土結(jié)構(gòu)尤其是處于惡劣環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，因材質(zhì)劣化，在未達(dá)到其設(shè)計(jì)使用年限就發(fā)生了破壞，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)平均壽命為75年的橋梁實(shí)際使用壽命平均為40年左右［1］?；炷两Y(jié)構(gòu)過早破壞不是因?yàn)榛炷恋膹?qiáng)度不足，而是因?yàn)槠淠途眯圆涣肌?/p>

抗凍性是影響混凝土耐久性的重要因素之一?？箖鲂缘暮脡闹饕Q于混凝土內(nèi)部的孔隙率大小、孔徑和孔隙中的含水量等［2］。相關(guān)研究表明，摻加高效減水劑、粉煤灰、選擇合理級(jí)配等可以在一定程度上改善混凝土的力學(xué)性能和耐久性［3～5］。但是，耐久性效果不太理想。最近，有關(guān)單位通過大量研究發(fā)現(xiàn)［6～11］，摻入一定量的納米材料，可以使混凝土的強(qiáng)度提高，耐久性也有所改善。然而，有關(guān)納米混凝土的研究主要是針對(duì)價(jià)格不菲的納米SiO2，而對(duì)其他納米材料改性混凝土的研究卻很少。筆者選用納米SiO2和成本較低的納米CaCO3（價(jià)格約為前者的1／10）這兩種納米材料，分析它們對(duì)混凝土抗凍性的影響規(guī)律，期望找出更經(jīng)濟(jì)、更合適的納米材料改善混凝土的耐久性。

1原材料和試驗(yàn)條件

1.1原材料

試驗(yàn)所用水泥為強(qiáng)度等級(jí)52.5的普通硅酸鹽水泥，用水為飲用水，所用集料為石灰?guī)r（連續(xù)級(jí)配），納米材料為納米SiO2和納米CaCO3。其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　納米材料的主要技術(shù)指標(biāo)T ab.1 Nanometer material main technical indicator s

1.2試驗(yàn)條件

合適的攪拌工藝可以使混凝土具備良好的工作性能和力學(xué)性能。對(duì)于摻加納米材料的混凝土來說，為使納米材料分散均勻，選擇合適的攪拌工藝更為重要。本試驗(yàn)先將納米材料與減水劑混合好，然后按照普通混凝土的攪拌方法進(jìn)行攪拌。

混凝土的抗凍性是指混凝土在負(fù)溫與正溫交變循環(huán)作用下抵抗表層剝落、裂縫形成、強(qiáng)度降低、結(jié)構(gòu)疏松乃至破壞的性質(zhì)或能力。普通混凝土的抗凍性能常以28 d齡期的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件能夠經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)確定。根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GB／T 50082－2009）［12］，采用慢凍法，以凍融循環(huán)后混凝土試件的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率來衡量其抗凍性能。

本試驗(yàn)納米SiO2的摻量分別取水泥和納米材料總質(zhì)量的0.5%、1%、2%、3%，納米CaCO3的摻量取水泥和納米材料總質(zhì)量的0.5%、1%、2%、3%、5%?；炷猎嚰檫呴L(zhǎng)100mm的立方體，每組3個(gè)試件。為了對(duì)比，還制作了一組不摻納米材料的普通混凝土試件。本試驗(yàn)試件凍融循環(huán)次數(shù)有50次和100次，試件凍融循環(huán)100次后，先進(jìn)行質(zhì)量損失率的測(cè)試，再進(jìn)行強(qiáng)度損失率的測(cè)定，以研究納米SiO2和納米CaCO3對(duì)混凝土抗凍性能的影響規(guī)律。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1質(zhì)量損失率

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GB／T 50082－2009），單個(gè)試件的質(zhì)量損失率和一組試件的平均質(zhì)量損失率分別按式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：ΔWni為n次凍融循環(huán)后第i個(gè)混凝土試件的質(zhì)量損失率，%，精確至0.01；W0i為凍融循環(huán)試驗(yàn)前第i個(gè)混凝土試件的質(zhì)量，g；Wni為經(jīng)n次凍融循環(huán)后第i個(gè)混凝土試件的質(zhì)量，g。

式中：ΔWn為n次凍融循環(huán)后一組混凝土試件的平均質(zhì)量損失率，%，精確至0.1。

將在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d的試件分別經(jīng)過凍融循環(huán)50次和100次后，取出試件，擦干試件表面的水分，測(cè)試其質(zhì)量損失，并按式（1）和（2）計(jì)算質(zhì)量損失率，結(jié)果如表2所示。圖1是凍融循環(huán)100次的試件的質(zhì)量損失率與納米材料摻量的關(guān)系曲線。

表2　凍融循環(huán)后混凝土試塊的質(zhì)量損失百分率T ab.2 Concrete test block quality loss percentage after freezing and thaw ing cycle

從表2可以看出，在凍融循環(huán)50次后，每組試件的質(zhì)量損失率均很小，試件表面也完好無損。在經(jīng)歷了100次凍融循環(huán)后，每組試件的質(zhì)量損失率均有不同程度的增大。從整體上看，凍融循環(huán)100次后，摻納米材料的混凝土試件與普通混凝土試件相比，質(zhì)量損失率明顯較小。

圖1　凍融循環(huán)100次時(shí)質(zhì)量損失率與納米摻量的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curves of mass loss rate and nanometer m ixing amount after 100 freezing and thawing cycles

由圖1可以看出：在凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，混凝土質(zhì)量損失率隨著納米材料摻量的增加而有所減小，隨后又隨著納米材料摻量的增加而增大。其中，納米SiO2摻量為3%時(shí)，納米混凝土試件的質(zhì)量損失率甚至超過了普通混凝土試件的質(zhì)量損失率。由此可見，對(duì)于混凝土凍融引起的質(zhì)量損失，納米材料存在一個(gè)最優(yōu)摻量。根據(jù)本文的研究結(jié)果，納米SiO2的最優(yōu)摻量在1%左右，納米CaCO3的最優(yōu)摻量在2%左右。最優(yōu)摻量時(shí)，相對(duì)普通混凝土試件，納米SiO2和納米CaCO3混凝土試件質(zhì)量損失率分別下降了78.4%和67.6%。

通過對(duì)凍融循環(huán)后混凝土試件的質(zhì)量損失率分析可以看出，納米材料的加入可以顯著改善混凝土的抗凍性能。這是因?yàn)椋炷羶鋈谄茐氖怯捎诨炷羶?nèi)部微孔隙中的自由水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹壓力超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土產(chǎn)生裂縫，經(jīng)過多次凍融循環(huán)，裂縫不斷發(fā)展，直至混凝土破壞。混凝土的密實(shí)度、孔隙數(shù)量和孔隙充水程度是混凝土抗凍性的決定因素。摻加納米材料后，極大地改善了混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，封堵了納米級(jí)的微小孔隙，使得混凝土的密實(shí)度大大提高，混凝土內(nèi)部孔隙水減少，從而避免了由于孔隙水結(jié)冰膨脹導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)破壞。

2.2強(qiáng)度損失率

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》GB／T 50082－2009，強(qiáng)度損失率按式（3）計(jì)算。

式中：Δfc為n次凍融循環(huán)后的混凝土抗壓強(qiáng)度損失率，%，精確至0.1；fc0為對(duì)比用的一組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度測(cè)定值，MPa，精確至0.1MPa；fcn為經(jīng)n次凍融循環(huán)后的一組混凝土試件抗壓強(qiáng)度測(cè)定值，MPa，精確至0.1MPa。

將在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d的混凝土試件經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，測(cè)試混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，并按式（3）計(jì)算強(qiáng)度損失率。計(jì)算結(jié)果如表3所示。圖2是混凝土試件的強(qiáng)度損失率與納米材料摻量的關(guān)系曲線。

表3　凍融循環(huán)后混凝土試塊的強(qiáng)度損失百分率T ab.3 Concrete test block strength loss percentage after freezing and thaw ing cycle

圖2　強(qiáng)度損失率與納米摻量的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves of strength loss rate and nanometer m ixing amount

由圖2可以看出，在凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，混凝土強(qiáng)度損失率先隨著納米材料摻量的增加而減??；之后，隨著納米材料摻量的增大而有所增大?？梢?，對(duì)于凍融循環(huán)引起的強(qiáng)度損失，納米材料同樣存在一個(gè)最優(yōu)摻量。由圖2可以看出，納米SiO2的最優(yōu)摻量在2%左右，納米CaCO3的最優(yōu)摻量在3%左右。相對(duì)普通混凝土試件，當(dāng)納米SiO2的摻量為2%時(shí)，納米混凝土試件的強(qiáng)度損失率下降了58.6%；當(dāng)納米CaCO3的摻量為3%時(shí)，納米混凝土試件的強(qiáng)度損失率下降了70.3%。由此可見，納米SiO2和納米CaCO3均可以改善混凝土材料的抗凍性能，而且效果顯著。

3　結(jié)語

納米材料為最佳摻量時(shí)，混凝土材料具有最好的抗凍性能。然而，考慮到工程實(shí)際情況，建議納米SiO2摻量取0.5%～2%，納米CaCO3摻量取1%～3%。從改善混凝土抗凍性效果來看，在相同摻量的情況下，納米SiO2和納米CaCO3對(duì)提高混凝土抗凍性能的效果相差不大。但是，納米CaCO3混凝土的造價(jià)要低的多（納米CaCO3的價(jià)格約為納米SiO2的1／10）。

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[責(zé)任編輯楊明慶]

TUS28.45

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1008-486X（2016）02-0029-03

2015-11-04

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目：摻納米SiO2、納米CaCO3混凝土耐久性研究（2015KXJS002）。

付春梅（1981-），女，山東單縣人，講師，碩士，主要從事道路、橋梁和建筑材料等方面的教學(xué)與科研工作。