纳米水泥混凝土抗冻性能研究

2017-01-13付春梅齐善忠

黄河水利职业技术学院学报 2016年2期

关键词：抗冻冻融循环损失率

付春梅，齐善忠

（黄河水利职业技术学院，河南开封475004）

纳米水泥混凝土抗冻性能研究

付春梅，齐善忠

（黄河水利职业技术学院，河南开封475004）

通过比较掺纳米CaCO3和掺纳米SiO2对混凝土抗冻性能的改善效果得出：在水泥混凝土中掺加一定量的纳米CaCO3和纳米SiO2，均能显著减小其冻融循环造成的质量损失率和强度损失率，即纳米材料的加入提高了混凝土的抗冻性能。

混凝土抗冻性；纳米CaCO3；纳米SiO2；质量损失率；强度损失率

0　引言

水泥混凝土由于造价低、耐久性好，成为当今世界用途最广、用量最大的人工建筑材料之一。然而，混凝土结构尤其是处于恶劣环境中的混凝土结构，因材质劣化，在未达到其设计使用年限就发生了破坏，给社会经济造成巨大损失。据统计，设计平均寿命为75年的桥梁实际使用寿命平均为40年左右［1］。混凝土结构过早破坏不是因为混凝土的强度不足，而是因为其耐久性不良。

抗冻性是影响混凝土耐久性的重要因素之一。抗冻性的好坏主要取决于混凝土内部的孔隙率大小、孔径和孔隙中的含水量等［2］。相关研究表明，掺加高效减水剂、粉煤灰、选择合理级配等可以在一定程度上改善混凝土的力学性能和耐久性［3～5］。但是，耐久性效果不太理想。最近，有关单位通过大量研究发现［6～11］，掺入一定量的纳米材料，可以使混凝土的强度提高，耐久性也有所改善。然而，有关纳米混凝土的研究主要是针对价格不菲的纳米SiO2，而对其他纳米材料改性混凝土的研究却很少。笔者选用纳米SiO2和成本较低的纳米CaCO3（价格约为前者的1／10）这两种纳米材料，分析它们对混凝土抗冻性的影响规律，期望找出更经济、更合适的纳米材料改善混凝土的耐久性。

1原材料和试验条件

1.1原材料

试验所用水泥为强度等级52.5的普通硅酸盐水泥，用水为饮用水，所用集料为石灰岩（连续级配），纳米材料为纳米SiO2和纳米CaCO3。其技术指标如表1所示。

表1　纳米材料的主要技术指标T ab.1 Nanometer material main technical indicator s

1.2试验条件

合适的搅拌工艺可以使混凝土具备良好的工作性能和力学性能。对于掺加纳米材料的混凝土来说，为使纳米材料分散均匀，选择合适的搅拌工艺更为重要。本试验先将纳米材料与减水剂混合好，然后按照普通混凝土的搅拌方法进行搅拌。

混凝土的抗冻性是指混凝土在负温与正温交变循环作用下抵抗表层剥落、裂缝形成、强度降低、结构疏松乃至破坏的性质或能力。普通混凝土的抗冻性能常以28 d龄期的标准混凝土试件能够经受的最大冻融循环次数确定。根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GB／T 50082－2009）［12］，采用慢冻法，以冻融循环后混凝土试件的质量损失率和强度损失率来衡量其抗冻性能。

本试验纳米SiO2的掺量分别取水泥和纳米材料总质量的0.5%、1%、2%、3%，纳米CaCO3的掺量取水泥和纳米材料总质量的0.5%、1%、2%、3%、5%。混凝土试件为边长100mm的立方体，每组3个试件。为了对比，还制作了一组不掺纳米材料的普通混凝土试件。本试验试件冻融循环次数有50次和100次，试件冻融循环100次后，先进行质量损失率的测试，再进行强度损失率的测定，以研究纳米SiO2和纳米CaCO3对混凝土抗冻性能的影响规律。

2　试验结果分析

2.1质量损失率

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GB／T 50082－2009），单个试件的质量损失率和一组试件的平均质量损失率分别按式（1）和式（2）进行计算。

式中：ΔWni为n次冻融循环后第i个混凝土试件的质量损失率，%，精确至0.01；W0i为冻融循环试验前第i个混凝土试件的质量，g；Wni为经n次冻融循环后第i个混凝土试件的质量，g。

式中：ΔWn为n次冻融循环后一组混凝土试件的平均质量损失率，%，精确至0.1。

将在标准养护室内养护28 d的试件分别经过冻融循环50次和100次后，取出试件，擦干试件表面的水分，测试其质量损失，并按式（1）和（2）计算质量损失率，结果如表2所示。图1是冻融循环100次的试件的质量损失率与纳米材料掺量的关系曲线。

表2　冻融循环后混凝土试块的质量损失百分率T ab.2 Concrete test block quality loss percentage after freezing and thaw ing cycle

从表2可以看出，在冻融循环50次后，每组试件的质量损失率均很小，试件表面也完好无损。在经历了100次冻融循环后，每组试件的质量损失率均有不同程度的增大。从整体上看，冻融循环100次后，掺纳米材料的混凝土试件与普通混凝土试件相比，质量损失率明显较小。

图1　冻融循环100次时质量损失率与纳米掺量的关系曲线Fig.1 Relation curves of mass loss rate and nanometer m ixing amount after 100 freezing and thawing cycles

由图1可以看出：在冻融循环次数相同的情况下，混凝土质量损失率随着纳米材料掺量的增加而有所减小，随后又随着纳米材料掺量的增加而增大。其中，纳米SiO2掺量为3%时，纳米混凝土试件的质量损失率甚至超过了普通混凝土试件的质量损失率。由此可见，对于混凝土冻融引起的质量损失，纳米材料存在一个最优掺量。根据本文的研究结果，纳米SiO2的最优掺量在1%左右，纳米CaCO3的最优掺量在2%左右。最优掺量时，相对普通混凝土试件，纳米SiO2和纳米CaCO3混凝土试件质量损失率分别下降了78.4%和67.6%。

通过对冻融循环后混凝土试件的质量损失率分析可以看出，纳米材料的加入可以显著改善混凝土的抗冻性能。这是因为，混凝土冻融破坏是由于混凝土内部微孔隙中的自由水结冰产生的膨胀压力超过了混凝土的抗拉强度，混凝土产生裂缝，经过多次冻融循环，裂缝不断发展，直至混凝土破坏。混凝土的密实度、孔隙数量和孔隙充水程度是混凝土抗冻性的决定因素。掺加纳米材料后，极大地改善了混凝土内部的孔隙结构，封堵了纳米级的微小孔隙，使得混凝土的密实度大大提高，混凝土内部孔隙水减少，从而避免了由于孔隙水结冰膨胀导致的混凝土结构破坏。

2.2强度损失率

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》GB／T 50082－2009，强度损失率按式（3）计算。

式中：Δfc为n次冻融循环后的混凝土抗压强度损失率，%，精确至0.1；fc0为对比用的一组混凝土试件的抗压强度测定值，MPa，精确至0.1MPa；fcn为经n次冻融循环后的一组混凝土试件抗压强度测定值，MPa，精确至0.1MPa。

将在标准养护室内养护28 d的混凝土试件经过100次冻融循环后，测试混凝土试件的抗压强度，并按式（3）计算强度损失率。计算结果如表3所示。图2是混凝土试件的强度损失率与纳米材料掺量的关系曲线。

表3　冻融循环后混凝土试块的强度损失百分率T ab.3 Concrete test block strength loss percentage after freezing and thaw ing cycle

图2　强度损失率与纳米掺量的关系曲线Fig.2 Relation curves of strength loss rate and nanometer m ixing amount

由图2可以看出，在冻融循环次数相同的情况下，混凝土强度损失率先随着纳米材料掺量的增加而减小；之后，随着纳米材料掺量的增大而有所增大。可见，对于冻融循环引起的强度损失，纳米材料同样存在一个最优掺量。由图2可以看出，纳米SiO2的最优掺量在2%左右，纳米CaCO3的最优掺量在3%左右。相对普通混凝土试件，当纳米SiO2的掺量为2%时，纳米混凝土试件的强度损失率下降了58.6%；当纳米CaCO3的掺量为3%时，纳米混凝土试件的强度损失率下降了70.3%。由此可见，纳米SiO2和纳米CaCO3均可以改善混凝土材料的抗冻性能，而且效果显著。

3　结语

纳米材料为最佳掺量时，混凝土材料具有最好的抗冻性能。然而，考虑到工程实际情况，建议纳米SiO2掺量取0.5%～2%，纳米CaCO3掺量取1%～3%。从改善混凝土抗冻性效果来看，在相同掺量的情况下，纳米SiO2和纳米CaCO3对提高混凝土抗冻性能的效果相差不大。但是，纳米CaCO3混凝土的造价要低的多（纳米CaCO3的价格约为纳米SiO2的1／10）。

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［12］GB／T50082－2009，普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法［S］.