宋寶峰, 王保權(quán), 李和玉, 張淑芬①

( 1.遼東學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院, 遼寧 丹東 118003；2.黑龍江林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157011)

粉煤灰混凝土是由碎石、砂、水和水泥等物料組成，并采用一定比例的粉煤灰取代水泥的膠凝材料[1]。相比普通硅酸鹽水泥制備的混凝土，粉煤灰混凝土是一種更有利于環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展要求的建筑材料，但也存在力學(xué)性能和耐久性能明顯減弱的缺陷[2-3]。近年來(lái)，粉煤灰混凝土在建筑工程中的應(yīng)用比較普遍，但在混凝土路面工程中的應(yīng)用卻相對(duì)較少[4]，究其原因，主要是因?yàn)椴捎闷胀ǚ勖夯一炷龄佋O(shè)公路路面時(shí)，容易造成路面開(kāi)裂、降低路基的耐磨性[5-7]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將納米材料改性為各類建筑材料進(jìn)行探索，并取得一系列成果。李慶華根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，指出納米顆?？梢允钩唔g性水泥基復(fù)合材料的水化熱降低，同時(shí)能夠提高材料的抗壓性、抗折強(qiáng)度、收縮性和耐久性[8]。李瑞等認(rèn)為納米顆粒具有特殊的層狀微觀結(jié)構(gòu)和表面活化性能，可以改善水泥基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的排列[9]。Atis等通過(guò)試驗(yàn)研究提出微硅粉可以作為一種納米級(jí)外摻料，起到改善水泥砂漿力學(xué)性能和耐久性的作用[10]。周艷華發(fā)現(xiàn)納米碳酸鈣顆粒添加至水泥砂漿后，能夠以離散顆粒的形式分布于混凝土內(nèi)部，進(jìn)而可以顯著提高混凝土的流動(dòng)性能，增強(qiáng)其耐久性[11]。但現(xiàn)有研究多集中于分析納米材料對(duì)普通混凝土性能的影響，較少采用納米材料對(duì)粉煤灰混凝土進(jìn)行改性，對(duì)路面混凝土表面磨損性能以及相關(guān)機(jī)理的研究更是鮮有報(bào)道。基于此，本研究分析經(jīng)過(guò)納米氧化硅改性的粉煤灰混凝土材料的強(qiáng)度、表面耐磨性、抗凍融性能和微觀結(jié)構(gòu)等工作性能的變化規(guī)律，并從細(xì)微觀結(jié)構(gòu)的角度闡明納米氧化硅引起粉煤灰混凝土工作性能變化的內(nèi)在機(jī)理。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

1)水泥

用于制備粉煤灰混凝土的水泥材料選用遼寧恒 威水泥集團(tuán)生產(chǎn)的復(fù)合硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為P·C42.5，比表面積為360.5 m2/kg。

2)粉煤灰

用于制備粉煤灰混凝土的粉煤灰材料由遼寧省華能丹東火力發(fā)電廠提供。圖1為試驗(yàn)所用水泥和粉煤灰的級(jí)配分布曲線，結(jié)果表明水泥的整體粒徑分布明顯大于粉煤灰顆粒。

3)骨料

細(xì)骨料采用最大公稱尺寸為5 mm，細(xì)度模數(shù)為2.47的優(yōu)質(zhì)天然河沙；粗骨料采用的是經(jīng)過(guò)破碎、篩分工序的級(jí)配碎石，最大公稱直徑約為25 mm。

4)納米氧化硅

本文使用的納米氧化硅來(lái)自沈陽(yáng)市天宇祥微粉材料廠，材料的主要化學(xué)成分為SiO2顆粒，其掃描電鏡圖像SEM如圖2所示，顆粒粒度低于1 μm，平均粒徑為0.28 μm。表1所示的是納米氧化硅顆粒的材料性能指標(biāo)，可以看出納米氧化硅顆粒比表面積較大，因而具有顯著的小尺寸和表面效應(yīng)，且顆粒的形狀為球體，非團(tuán)聚型，具有較好的分散性和流動(dòng)性，可以滿足作為外摻料提高水泥基材料的強(qiáng)度、耐磨性和耐久性等[12]。

表1 納米氧化硅顆粒的性能指標(biāo)

1.2 材料的配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)前采用正交試驗(yàn)法對(duì)材料的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到粉煤灰的最佳取代率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為15%。為了研究納米材料的改性效果，共采用5種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米氧化硅顆粒對(duì)粉煤灰混凝土進(jìn)行改性，分別使用NC-0、NC-1、NC-2和NC-3代表 納米氧化硅顆粒占粉煤灰混凝土總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0、0.01%、0.02%和0.03%，用OPC表示普通混凝土試件組。不同組別混凝土的材料配比如表2所示。值得注意的是，混凝土成型方式采用澆筑法，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d，養(yǎng)護(hù)條件為相對(duì)濕度(90%±2%)，溫度(25±1) ℃。

表2 每立方米混凝土試件中各材料構(gòu)成 單位：kg

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 強(qiáng)度性能測(cè)試

用于強(qiáng)度測(cè)試的試件選用尺寸為150 mm×50 mm×50 mm的棱柱體，強(qiáng)度測(cè)試采用MST-023型試驗(yàn)機(jī)。首先，進(jìn)行混凝土抗折強(qiáng)度的測(cè)試，在棱柱體中部施加彎折荷載；然后，將折斷的混凝土放置在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平臺(tái)分別測(cè)試2段試件的抗壓強(qiáng)度，并取其平均值作為混凝土的最終抗壓強(qiáng)度。

1.3.2 表面耐磨性能測(cè)試

采用旋轉(zhuǎn)磨耗試驗(yàn)機(jī)對(duì)干燥的立方體混凝土表面進(jìn)行耐磨性測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)，先稱量混凝土試件的初始質(zhì)量m1；然后，將試件置于轉(zhuǎn)盤上，使其表面與刀片平行放置，并用夾具固定；再對(duì)試件施加200 N的軸向力，啟動(dòng)花輪刀片在試件表面以100 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，持續(xù)6 min;最后，將測(cè)試后的試件取下，并清理表面粉塵，稱量磨損后的試件質(zhì)量m2，并按照公式(1)計(jì)算磨損率w：

(1)

1.3.3 抗凍融性能測(cè)試

混凝土的抗凍性能測(cè)試參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能及耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，凍融試驗(yàn)儀器為TDR-2型混凝土快速凍融機(jī)。試驗(yàn)前先將混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，然后在水中浸泡 4 d ，本試驗(yàn)設(shè)置凍融次數(shù)為120次。為衡量混凝土受凍融循環(huán)作用下結(jié)構(gòu)的完整性，引入混凝土損失質(zhì)量分?jǐn)?shù)概念，該值越大，表明混凝土抗凍融性能越差。損失質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ψ計(jì)算公式如公式(2)所示：

(2)

式中，m1為混凝土試件凍融循環(huán)前的質(zhì)量，m2為混凝土試件凍融循環(huán)后的質(zhì)量。

1.3.4 收縮性能測(cè)試

將混凝土試件放入干燥收縮養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù),設(shè)置溫度為25 ℃，濕度為60%。在成型后，測(cè)定不同組別混凝土試件的干縮率，干縮率計(jì)算公式如公式(3)所示：

(3)

式中，L0為混凝土試件澆筑完成后的初始長(zhǎng)度，L為試件養(yǎng)護(hù)成型后的長(zhǎng)度。

1.3.5 微觀形態(tài)檢測(cè)

使用FAL-3型掃描電子顯微鏡對(duì)混凝土試件微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，被測(cè)試件為邊長(zhǎng)10 mm的小立方體。試驗(yàn)前先對(duì)試件進(jìn)行拋光并在風(fēng)干箱中干燥12 h，然后對(duì)混凝土試件進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的掃描，并采集被測(cè)試件的斷面圖像。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 強(qiáng)度性能測(cè)試結(jié)果

對(duì)于路面混凝土工作性能，工程界通常主要關(guān)注其抗折強(qiáng)度，兼以參考抗壓強(qiáng)度。本文對(duì)經(jīng)過(guò)28 d養(yǎng)護(hù)后的混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，普通混凝土試件(ordinary portland cement conceretc,OPC)的抗折、抗壓強(qiáng)度明顯高于粉煤灰取代率為15%的混凝土試件(NC-0)。摻入微量納米氧化硅顆粒后，混凝土的強(qiáng)度性能有顯著提高，當(dāng)納米氧化硅顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)，混凝土試件的抗折強(qiáng)度相對(duì)NC-0組混凝土上升了14%；當(dāng)納米氧化硅顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)，抗折強(qiáng)度相對(duì)NC-0組混凝土上升了20%；而當(dāng)納米氧化硅顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升至0.03%后，混凝土抗折強(qiáng)度的改變不明顯。納米氧化硅顆粒對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律與抗折強(qiáng)度類似，不同的是，當(dāng)納米氧化硅顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度便開(kāi)始下降。強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，一定摻量的納米氧化硅可以有效地提高粉煤灰混凝土的強(qiáng)度性能，有利于混凝土路面在實(shí)際工程中承載能力的提升。

2.2 表面耐磨性能測(cè)試結(jié)果

本文在表面耐磨性能測(cè)試過(guò)程中記錄了混凝土質(zhì)量，并計(jì)算第2、4和6 min時(shí)試件的磨損率，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯c普通混凝土試件相比，粉煤灰混凝土的磨損率有明顯提高，而摻入一定量的納米氧化硅顆粒進(jìn)行改性后，混凝土的磨損率明顯降低，混凝土的表面耐磨性能顯著上升。當(dāng)納米氧化硅顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)，混凝土的磨損率仍高于普通混凝土；當(dāng)納米氧化硅顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)，粉煤灰混凝土的磨損率明顯降低，即表面耐磨性能優(yōu)于普通混凝土；當(dāng)納米氧化硅顆粒的摻量為0.03%時(shí)，粉煤灰混凝土的磨損率沒(méi)有顯著變化。究其原因，主要是摻入納米氧化硅顆粒后，粉煤灰混凝土材料的密實(shí)度有明顯提高，進(jìn)而改善了其表面耐磨性能。但當(dāng)納米氧化硅顆粒含量過(guò)高時(shí)，水泥熟料與活性氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得膠凝體的生成量減少，不足以填充顆粒間的裂隙，使性能提升效果不再顯著變化。

一些研究者通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混凝土材料的表面耐磨性與強(qiáng)度指標(biāo)有關(guān)，強(qiáng)度越高，耐磨性越好[13-15]。基于此，本研究對(duì)混凝土試件的抗折強(qiáng)度與磨損率指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行了擬合求解，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，混凝土抗折強(qiáng)度與表面耐磨性指標(biāo)的關(guān)系可以用負(fù)相關(guān)的線性方程進(jìn)行擬合求解，當(dāng)納米氧化硅含量增加時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度上升，表面磨損率隨之減小，且得到的相關(guān)系數(shù)(R2)均大于0.95，表明二者相關(guān)性較高。

2.3 抗凍融性能測(cè)試結(jié)果

對(duì)不同組別混凝土試件經(jīng)過(guò)120次凍融循環(huán)后進(jìn)行損失質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)量，來(lái)衡量混凝土抗凍融性能，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，經(jīng)120次凍融循環(huán)后，OPC組與NC-0組混凝土的損失質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.43%左右；而摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的納米氧化硅后，試件的損失質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，并低于普通混凝土；當(dāng)納米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%和0.03%時(shí)，試件的損失質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在0.28%左右。相比普通混凝土，當(dāng)納米氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.02%時(shí)，其凍融損失質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降了35%，即抗凍融循環(huán)性能得到較大提高。究其原因，主要是混凝土摻入納米氧化硅后，與粉煤灰和水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成C-S-H凝膠體，對(duì)粗骨料之間的裂隙起到填充作用，從而大幅降低凍融時(shí)體積膨脹—收縮過(guò)程造成的損傷，進(jìn)而改善了粉煤灰混凝土的抗凍融性能[16]。

2.4 收縮性能測(cè)試結(jié)果

不同組別混凝土試件的干縮率隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化曲線如圖7所示。由圖7可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，混凝土的干縮率逐步提升，且增長(zhǎng)速率呈先快后慢的特點(diǎn)；普通混凝土的干縮率略小于未經(jīng)納米改性的粉煤灰混凝土；隨著納米氧化硅摻量的提高，混凝土的干縮率逐漸下降。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到28 d后，混凝土的干縮率變化基本穩(wěn)定；以養(yǎng)護(hù)時(shí)間28 d為基準(zhǔn)，納米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)的干縮率相比較普通混凝土降低了39.8%，說(shuō)明一定摻量的納米氧化硅顆?？梢燥@著減小混凝土的干縮率，有利于路面混凝土的早期成型和干燥裂縫的形成。

2.5 微觀形態(tài)檢測(cè)結(jié)果及改性機(jī)理分析

為了深入分析混凝土經(jīng)納米氧化硅改性的機(jī)理，分別對(duì)OPC、NC-0和NC-2 3組混凝土試件進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)，掃描結(jié)果如圖8所示。由圖8(a)可知，OPC組試件的內(nèi)部呈團(tuán)粒且裂隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)育，這是影響混凝土干縮變形、強(qiáng)度和耐久性特性的重要原因，發(fā)育的裂隙結(jié)構(gòu)不利于混凝土形成較高的密實(shí)度[17]；由圖8(b)可知，在NC-0組混凝土試件的內(nèi)部裂隙中離散地出現(xiàn)了球形的粉煤灰顆粒，但是沒(méi)有形成明顯的凝膠結(jié)構(gòu)，對(duì)混凝土的裂隙結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的改善，相反水泥砂漿硬化體的密實(shí)度卻有所降低；NC-2組的混凝土微觀結(jié)構(gòu)如圖8(c)所示，可以看出混凝土內(nèi)形成了規(guī)則形狀的凝膠體，原本混凝土中裂隙結(jié)構(gòu)得到了有效地填充，砂漿整體密實(shí)度顯著提高。

從微觀結(jié)構(gòu)的角度來(lái)說(shuō)，納米氧化硅作為一種活性外加劑，經(jīng)其催化后，粉煤灰的火山灰反應(yīng)加速，從而生成大量C-S-H凝膠體，這些凝膠體使顆粒骨料進(jìn)一步膠結(jié)，在骨料間的軟弱結(jié)合面起到加固作用，綜合效應(yīng)提高混凝土的密實(shí)程度。由此看來(lái)，在粉煤灰混凝土基本物料中加入一定量的納米氧化硅可以起到催化的作用，可有效提高混凝土膠結(jié)程度，進(jìn)而改良路面工作性能[18]。但當(dāng)納米氧化硅顆粒含量過(guò)高時(shí)，水泥熟料與活性氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得膠凝體的生成量減少，不足以填充顆粒間的裂隙。因此，當(dāng)納米氧化硅的摻量超過(guò)0.02%時(shí)，粉煤灰混凝土的綜合性能不會(huì)隨著摻量增加而繼續(xù)提升。

3 結(jié)論

1)在粉煤灰混凝土中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的納米氧化硅顆粒后，可以顯著提高粉煤灰混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度、表面耐磨性、抗凍融性能和抗干縮性能。

2)納米氧化硅有利于混凝土強(qiáng)度的提高。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.02%時(shí)，強(qiáng)度指標(biāo)便趨于穩(wěn)定，表面磨損率、凍融質(zhì)量損失率和干縮率也有類似的效應(yīng)，說(shuō)明0.02%可以作為粉煤灰混凝土的最佳納米氧化硅摻量標(biāo)準(zhǔn)。

3)一定含量的納米氧化硅顆?？纱龠M(jìn)粉煤灰與水泥顆粒發(fā)生火山灰反應(yīng)，加速水化產(chǎn)物的形成，使得水泥硬化砂漿結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，從而對(duì)混凝土路面工作性能指標(biāo)均起到明顯改善作用。根據(jù)研究結(jié)果，建議將納米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的混凝土運(yùn)用于實(shí)際路面工程中。