河套灌区渠道衬砌混凝土的纳米颗粒改性研究

曹 金 保

(南昌理工学院， 南昌 330013)

0 引 言

目前，我国内蒙古自治区的河套灌区是我国灌溉面积最大的灌区[1]。该区的渠道结构主要采用模袋混凝土技术进行渠道衬砌建设[2]。衬砌工程采用的模袋混凝土通过高压泵将水泥砂浆灌入模袋，依靠袋内吊筋袋、吊筋绳等的长度来控制混凝土尺寸，砂浆硬化后形成一定强度的衬砌结构以满足渠道工程的需要，对于河套地区复杂的地理条件有很好的适应性。稳定性和耐久性是渠道衬砌混凝土的重要性能指标，渠道防渗效果主要取决于混凝土材料的稳定性及耐久性[3]。干缩裂缝的存在严重影响渠道衬砌的使用寿命，干缩变形一般出现在砂浆浇筑和养护后一段时间后，混凝土变形随着水泥浆中水分蒸发逐渐发展，最终产生不可逆的内部裂缝[4,5]。

研究表明在混凝土中掺入一定比例的粉煤灰可以显著地改善减轻和防止模袋混凝土的干缩变形[6]。但粉煤灰会加大浆料的用水量，导致浆料的水泥用量大幅增加。一方面使混凝土结构的强度降低，另一方面也增加了材料的造价[7]。纳米材料是一种新兴材料，具有比表面积大、界面效应和微观效应等特质，作为一种改性添加剂，已经在优化混凝土性能方面被广泛应用，也有许多研究者致力于利用纳米材料来提升混凝土干缩性能[8-11]。因此，纳米材料在改善混凝土力学性能、防止干燥收缩，加长材料使用寿命等方面具有广阔的应用前景和显著的经济效益[12]。

本研究采用微量两种纳米颗粒制备了改性粉煤灰混凝土试样，对其力学和干缩性能进行分析，并分析了其作用机理。研究结果旨在为渠道衬砌混凝土的纳米改性设计提供借鉴。

1 试验材料与过程

1.1 原材料

试验采用砾石和连续级配河砂作为粗、细骨料，骨料的最大粒度25.6 mm，经过破碎、筛分，细骨料粒径为0～5 mm，粗骨料粒径级别为5～25 mm。选用P.C42.5复合硅酸盐水泥硅酸盐水泥(C)作为凝胶材料，其28 d抗压强度为47.3 MPa，抗弯强度7.9 MPa。粉煤灰取自河套地区的发电厂生产的超细粉煤灰(UFA)。纳米材料选用江西省宜春市华宇纳米材料有限公司生产的纳米二氧化硅(NS)和纳米碳化硅(NC)，纳米颗粒的性能指标如表1所示。

表1 纳米材料的性能指标Tab.1 Properties of nano-materials

1.2 试验方法

采用18%超细粉煤灰(UFA)等质量代替水泥，在此基础上，再分别以1%、2%和3%的纳米颗粒等量代替水泥配制纳米改性粉煤灰混凝土。水工混凝土的强度和干缩性能主要取决于复合水泥砂浆的特性，首先根据对水泥砂浆强度试验确定纳米材料的最佳含量范围，再根据强度试验进行干缩性测试的混凝土不同配比试验。水泥砂浆的强度试验参照国家标准GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO)》，采用40 mm×40 mm×160 mm尺寸的试件在温度20±2 ℃、相对湿度为90%以上的恒温箱中标准养护28 d后进行强度和干缩性能测试。

2 结果和讨论

2.1 强度试验结果

根据强度试验结果确定纳米材料的最佳含量范围。再依据此范围，以等量纳米材料代替水泥制备纳米改性混凝土(NS混凝土、NC混凝土和双掺混凝土)。进行强度试验的混凝土的配比如表2所示。

表2 强度试验的组别及其物料掺量 g

单掺一种纳米材料(0-6组)的水泥砂浆的抗弯和抗压强度试验结果如图1所示。可以发现NS和NC两种纳米材料对水泥砂浆强度有正向影响，在一定程度上提高了砂浆的抗弯强度和抗压强度。当NS含量在0～3%范围内时，随着含量增加，水泥砂浆的抗弯强度和抗压强度先增大后减小，最佳NS含量为2%；而水泥砂浆中NC含量从1%增加到3%时，其抗弯强度和抗压强度呈上升趋势。可以预测当NC含量持续增加，砂浆强度曲线也可能出现拐点。因此，可以认为单掺杂NC的最佳含量为3%图2给出了水泥砂浆试样(7-15组)的强度试验结果，可以发现双掺纳米材料的水泥砂浆在强度改善上优于单一材料，其中抗弯强度和抗压强度最高的为第13组。

图1 组数0-6测试结果Fig.1 The results of groups 0-6

图2 组数7-15测试结果Fig.2 The results group number 7-15

2.2 改性混凝土干缩试验结果

进行干缩性测试的混凝土的不同配比成分见表3，干缩试验结果见图3和图4。从图3可以看出，掺纳米颗粒的水泥砂浆的干缩率明显高于无纳米颗粒的对照组，表明纳米颗粒在不同阶段会加速水泥砂浆的干缩程度。随着固化时间的增加，干缩率逐渐增大。在28 d内，2%NC试样的干缩速率最大达137.5×10-6；2%NS试样干缩率最大为118.75×10-6。

从图3与图4还可以进一步分析水泥砂浆干缩率与龄期的关系。养护早期的干缩率变化较快，特别是在前7 d干缩率的快速增长；7～14 d内增长略有减缓，但仍有大幅度增加；而在14 d后，干缩率的增长速度进一步放缓；最后并在28 d后逐渐趋于稳定。以含2%NC的水泥砂浆干缩率为例，干缩率在前14 d是106.25×10-6，占28 d内干缩量的77.3%。由此可见，纳米材料的加入会加速水泥砂浆的收缩，且对前期的干燥收缩的作用更加明显。

如图5所示，相对于无添加的普通组，单掺2%NS和2%NC的混凝土的干缩率在前期均有显著增加，且第28 d的干缩率比普通组分别提高124.8%和85.8%。但双掺混凝土的干缩率却介于NS混凝土和NC混凝土之间，并在养护的第28 d后达到171.4×10-6，无明显差别，说明单掺或双掺纳米颗粒对粉煤灰混凝土的干缩性无显著影响。

表3 干缩试验的试样组别及其物料掺量 kg/m3

图3 掺NS颗粒混凝土的干缩结果Fig.3 Drying shrinkage of concrete mixed with NS particles

图4 掺NC混凝土的干缩结果Fig.4 Drying shrinkage of concrete mixed with NC particles

为了进一步研究纳米颗粒对混凝土干缩率的影响，分别研究了不同配比的混凝土14 d和28 d的干缩率，发现差异微小。据图5所示，纳米混凝土的平均干缩率为85.7%，略高于14 d的77.3%。

图5 14 d和28 d的干燥收缩效果对比直方图Fig 5. Comparison of drying shrinkage effect between 14 days and 28 days

3 纳米颗粒的作用机理

纳米颗粒具有较小粒径和较大比表面积，不仅可以增加纳米颗粒的表面结合能，还可以在掺杂到水泥基材料中表现出较高的化学活性。水泥发生水化过程需要从外界不断吸取水分，但纳米颗粒会通过毛细管吸收游离水，使得水泥水化过程吸水过程被阻碍[13]。从图6可以看出纳米颗粒分布在混凝土内部的物料颗粒和孔隙中，由于其纳米颗粒的表面效应和微观骨料填充效应改善了水化物的密实度[14]。纳米颗粒的表面反映一方面使得混凝土中非结晶水消耗，降低水泥的水化率；另一方面加速水泥水化，导致需要更多的非结晶水补给水化反应。同时，纳米颗粒的孔隙填充效应在一定范围内降低混凝土毛细管负压，减小混凝土表面与内部的温度和相对湿度差异，由此降低干燥收缩的发生[15]。

图6 纳米改性混凝土的SEM图Fig.6 SEM of nano-modified concrete samples

此外，不同纳米颗粒对混凝土干燥收缩的影响也存在一定差异。从图5可以看出，NS混凝土的14 d和28 d干缩率略高于NC混凝土的干缩率。造成这种差异的主要原因是NS平均粒径较小，比表面积较大，可以发挥更大的作用，加速水泥砂浆整体干燥收缩的减小[16]。对于河套灌区的渠道衬砌而言，选择性能优良的纳米材料，对于混凝土结构的耐久性改善有至关重要的作用。

4 结 论

(1) 在普通水泥砂浆加入纳米颗粒后，渠道衬砌混凝土试样的抗弯和抗压强度明显提高。单掺NS最优含量为2%，单掺杂NC的最优含量为3%，双掺的最佳含量为1% NS和3% NC。

(2)纳米颗粒改性的水泥砂浆干燥收缩速率比普通水泥砂浆明显增加，纳米颗粒会让水泥砂浆的早期干缩率更快。与普通水泥砂浆相比，单掺2% NS和单掺2% NC的水泥砂浆干燥收缩率分别提高了90%和120%；与普通混凝土相比，纳米混凝土的干缩率在早期增加明显；且单掺与双掺对干缩率的影响差异不大。

(3)纳米颗粒对渠道衬砌混凝土干缩率的影响，主要是由于表面效应和微观骨料填充效应。纳米颗粒可以降低水泥的水化率，改善硬化水泥浆体的微观结构。此外，NS平均粒径较小，表面能较大，使得NS混凝土干缩率略高于NC混凝土。

(4)渠道衬砌混凝土经过纳米改性后，力学性能和干燥收缩性能明显增加。因此，纳米混凝土材料对于延长河套灌区的渠道使用寿命有广阔的应用前景。