纳米SiO2桥梁混凝土抗盐冻剥蚀性能试验研究

于文勇，孙 凌，丁剑霆，王慧颖，石桂梅

(黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

纳米SiO2桥梁混凝土抗盐冻剥蚀性能试验研究

于文勇，孙 凌，丁剑霆，王慧颖，石桂梅

(黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

寒冷地区桥梁混凝土由于除冰盐的使用使得引起的盐冻剥蚀破坏，导致混凝土结构提前丧失使用功能。将纳米SiO2加入到桥梁混凝土中进行抗盐冻性能试验研究, 结果表明：由于纳米微粉与纳米级水化C-S-H凝胶大量键合，把松散的水化硅酸钙凝胶变成纳米微粉为核心的网状结构，使得混凝土更加密实，掺加一定量的纳米SiO2混凝土较空白混凝土抗盐冻剥蚀性能有较大地提高。

纳米SiO2；桥梁混凝土；盐冻剥蚀；抗盐冻性能

在寒冷地区，由于冬季降雪，为保证正常运营，经常在路面、桥面使用除冰盐，由此带来非常严重的耐久性破坏——盐冻剥蚀破坏[1-2]；沿海地区处于海水中的桥墩经受的条件则更加恶劣——海水腐蚀、盐冻破坏，严重地引起钢筋锈蚀，保护层剥落，导致混凝土结构提前丧失功能[3]。无论是路面混凝土、桥面铺装混凝土还是海水中的混凝土桥墩，其盐冻破坏都较普通的冻融破坏更加严重[4]。

本文将纳米材料加入到桥梁混凝土中，利用纳米粒子巨大的比表面和特殊的表面特性，使选用的纳米微粉与纳米级水化C-S-H凝胶大量键合，把松散的水化硅酸钙凝胶变成纳米微粉为核心的网状结构，使得混凝土更加密实，减少腐蚀介质的侵入，提高桥梁混凝土抗盐冻性能[5-6]。

1 原材料选择及试件制备

1.1 原材料

水泥：试验研究选用哈尔滨水泥厂PO42.5级普通硅酸盐水泥，3 d抗压强度和抗折强度分别为27.3 MPa、4.0 MPa。28 d抗压强度和抗折强度分别为47.6 MPa、7.3 MPa，主要化学成分见表1。其他指标符合《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)要求。

粉煤灰：呼兰第三发电厂燃烧煤粉产生的粉状残渣。它的主要成分是SiO2、Al2O3和Fe2O3，这3种成分的总含量大于70%,见表2。

表1 42.5级普通硅酸盐水泥的主要化学组成

表2 粉煤灰化学成分

纳米材料：选用杭州万景新材料有限公司产品纳米氧化硅，白色粉末，SiO2含量大于99.9%,比表面积为200±30 m2/g。

外加剂：选用黑龙江科曼建筑材料有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率15%。

砂：产自玉泉砂场，砂细度模数为2.3，级配满足Ⅱ区要求，其他各项指标满足《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)Ⅱ类砂要求。

碎石：选自宾县宾西料场， 31.5～4.75连续级配，其他各项指标满足《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)Ⅱ类碎石要求。

1.2 混凝土配合比

本试验研究分别制备了C40空白混凝土、掺粉煤灰混凝土和纳米SiO2混凝土，粉煤灰掺量为20%，纳米氧化硅掺量分别为水泥用量的0.5%、1.0%、2.0%、3.0%，等量替代水泥，编号分别为H0、HF、HS1、HS2、HS3、HS4，配合比见表3。

表3 1 m3混凝土各材料用量

2 单面冻融试验

2.1 试件成型与养护

按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)进行单面冻融试验，按前述配合比成型单面冻融试验用试件。首先制备尺寸150 mm×150 mm×150 mm试件，试件编号同前。在水中养护7 d后取出，对试件进行切割得到尺寸150 mm×110 mm×70 mm的单面冻融试验用试件。在室温下放置至24 d，除测试面和与测试面相平行的顶面外，涂以硅胶固化剂密封，密封后的试件置于温度为(20±2)℃，相对湿度为(65±5)%的实验室中至28 d，准备试验[7]。

2.2 试验方案

将密封干燥并至28 d龄期的试件放置于单面冻融试验机的试件盒内，盒内底部有5 mm不吸水垫条，向试验盒内加入试验溶液，试验溶液采用质量比为97%蒸馏水和3%NaCl配制而成。使试件预吸水7 d，预吸水过程中保持液面高度为(10±1) mm，如图1所示。冻融循环过程如图2所示。

图1 试验盒内的单面冻融试件

图2 冻融循环过程

每4个循环进行一次测定，分别测量试件的剥落物质量；超声波在耦合剂中的传播时间、冻融试验前超声波在试件和耦合剂中的总传播时间和经N次冻融循环后超声波试件和耦合剂中的总传播时间。本文研究N次冻融循环后试件表面盐冻剥蚀情况及试件单位表面面积剥落物总质量，评定试件抗盐冻剥蚀性能。

3 试验结果及分析

3.1 外观破损

当冻融循环出现下面3种情况时，可停止试验：1)达到28次冻融循环时；2)试件单位表面面积剥落物总质量大于1 500 g/m2；3)试件的超声波相对动

弹模量降低到80%时[7]。为进一步评定纳米SiO2对桥梁混凝土性能的影响，本试验进行了40次冻融循环，对试件表面破损情况及试件单位表面面积剥落物总质量进行分析，评定掺加纳米SiO2桥梁混凝土抗盐冻剥蚀性能。图3、图4分别是16个循环和40个循环后空白混凝土与纳米混凝土的外观破损对比。

3.2 试验结果

测定N次冻融循环后，单个试件单位测试表面面积剥落物质量按式(1)计算总质量mn，结果列于表4。由于在12次冻融循环之前，试件破损及单位表面积剥落物质量差别不大，此处没有，不做分析。

(1)

图3 16次循环后试件表面剥蚀对比

图4 40次循环后试件表面剥蚀对比

3.3 试验结果分析

单边冻融试验经过16次循环，外观差异较大，编号H0、HF试件表面都已剥落，HS3外观破损最小，40次冻融循环后编号H0、HF试件表面破损非常严重，纳米混凝土试件表面还较完整，其中纳米SiO2掺量2%，编号为HS3的试件表面破损状况最轻。分析原因，这是因为普通混凝土中骨料与水泥石界面孔隙较多，且水泥石内部有大量微裂纹，形成的界面结构不均匀，不致密[8]。普通水泥本身的颗粒粒径通常在7～200 μm。水泥水化过程中生成的主要产物水化硅酸钙凝胶(C-S-H)，其尺寸在纳米级范围(平均粒径10 nm)，约占整个水化产物的70%。而水化过程中形成的毛细孔，则由水化物之间的气泡、裂缝组成，其尺寸在100 nm和几个毫米之间。

水在材料中的迁移有3种方式：毛细作用、扩散作用及在压力梯度下的渗透[9]。在混凝土中，毛细作用是水渗透的主要方式[10]，为盐冻破坏提供条件，因此，在相同条件下，空白混凝土盐冻剥蚀比纳米混凝土更为严重。

表4 N次冻融循环后单个试件单位测试表面面积剥落物总质量 g/m2

经过不同冻融循环次数后，试件单位表面积剥落物总量对比如图5所示。

通过表4和图5分析，16次、20次、24次单面冻融循环后，空白混凝土、掺粉煤灰混凝土、不同掺量的纳米混凝土单位表面面积剥落物总质量均小于1 500 g/m2，都能满足规范(GB/T50082-2009)要求，经过28次冻融循环后空白混凝土、粉煤灰混凝土单位表面面积剥落物总质量已经大于1 500 g/m2，按规范要求已经不能满足使用要求。纳米SiO2掺量为1.0%、2.0%、3.0%的纳米混凝土两项指标仍满足要求。

掺加纳米材料后，由于纳米材料对孔隙的填充和孔径的细化作用，阻断了混凝土内部孔隙的连通，加之纳米矿粉能与纳米级水化产物大量键合，并以纳米矿粉为晶核，在其颗粒表面形成水化硅酸钙凝胶相，把松散的水化硅酸钙凝胶变成纳米矿粉为核心的网状结构，因此，形成的界面结构较均匀致密，减小了孔隙水结冰的冻胀作用，使混凝土耐久性得到较大的改善。

32次冻融循环后，只有纳米SiO2掺量为1.0%、2.0%的纳米混凝土单位表面面积剥落物总质量满足不大于1 500 g/m2的要求，40次冻融循环后虽然所有配比的混凝土都已超出指标要求，但纳米SiO2掺量为1.0%、2.0%的纳米混凝土仍优于不掺纳米材料的混凝土。

4 结 论

1)以纳米材料等量代替水泥制备纳米混凝土，盐冻试验结果表明，经过相同冻融循环后，抗表面剥蚀能力有较大的提高。

2)空白混凝土经过28次冻融循环后，单位表面面积剥落物总质量超过1 500 g/m2，已不能满足规范要求，纳米SiO2掺量为1.0%、2.0%的纳米混凝土经过32次冻融循环后单位表面面积剥落物总质量小于1 500 g/m2，此项指标冻融循环次数较空白混凝土提高8次，即提高30以上。

[1] 张云清，余红发，孙伟,等.城市混凝土桥梁盐冻病害调查与研究[J].建筑材料学报，2012(5):666-668.

[2] 张辉，潘友强，张健.朱雷水泥混凝土抗盐冻性能影响因素研究[J].重庆交通大学学报，2013(4):597-600.

[3] 张强.谈沿海地区混凝土盐冻问题研究现状[J].山西建筑，2016(2):112-113.

[4] RAMEZANIANPOUR A A，NADOOSHAN M J，PEYDAYESH M，et al．Effect of entrained air voids on salt scaling resistance of concrete containing a new composite cement[J]． KSCE Journal of Civil Engineering，2014，18(1):213-219．

[5] 冯春花，王希建，朱建平,等.纳米材料在混凝土中的应用研究进展[J].硅酸盐通报,2013(8):1558-1572.

[6] LI G Y．Properties of high-volume fly ash concrete incorporating nano-SiO2[J]． Cement and Concrete Research，2004，( 6) : 1043-1049.

[7] 中华人民共和国行业标准.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准：GB/T50082-2009[S].北京：中国建筑出版社，2009.

[8] 李中华.寒冷地区道路混凝土抗盐冻剥蚀性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[9] ROSSIGNOLO J A,AGNESINIM．Durability of polymer-modified lightweight aggregate concrete[J]．Cement and Concrete Composites,2004,26(4):375-380.

[10] 姜作杰.冻融循环作用下混凝土毛细孔结构的劣化机制[J].华侨大学学报，2015(6)：716-719.

A study of iced-scaling resistance to sulfates of bridge building concrete mixed nano SiO2

YU Wenyong，SUN Ling，DING Jianting，WANG Huiying，SHI Guimei

(Heilongjiang Instiute of Technology,Harbin150050,China)

During winters in cold regions,bridge building concrete will suffer iced scaling of sulfates caused by deicing stuffs using, which makes life of concrete structures shorter than normal. When nano-SiO2is mixed in bridge building concrete, as nano-powder and gel of nano-grade hydrated C-S-H bonds together,this turns hydrated calcium silicate gel to structure nets connected and cored with powders, which makes the concrete more density, so concrete mixed with nano-SiO2will be of higher on freezing resistance to normal concrete.

nano-SiO2;bridge building concrete;iced scaling resistance;performance to freezing resistance of sulfates

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.06.007

2017-07-14

哈尔滨市科技局科技创新人才项目(2014RFXXJ115)；龙建路桥股份有限公司重点科技项目(LJKY008-2016)

于文勇(1964-)，男，高级实验师，研究方向：土木工程材料.

TU528.37

A

1671-4679(2017)06-0034-04

[责任编辑：郝丽英]