纳米SiO2混凝土力学性能研究①

姚 廒， 师 阳,2

(1.长安大学公路学院，陕西 西安 710000；2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引 言

目前，水泥混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料之一，而随着经济技术的发展，普通混凝土的性能已不能满足现代化设施(大型化、高层化、智能化)的要求，高性能和绿色环保已经成为现代混凝土发展的趋势[1～2]。而向混凝土中掺入外加剂和矿物掺合料是保证其具有高性能的必要组分之一。纳米SiO2作为一种纳米尺寸的材料，因其具有小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应使其具有广泛的应用前景。而将纳米SiO2应用于水泥混凝土中，可以显著提高混凝土的早期强度和耐久性能[3]。一方面是由于纳米SiO2可以消耗强度小、晶体大的Ca(OH)2，并促进生产C-S-H凝胶，提高水泥浆体的强度[4～5]；另一方面，其尺寸颗粒较细可以填充水泥浆体间的空隙，发挥微集料效应，提高其整体密实度，提高其耐久性能。但是目前对于单一粒径下的纳米SiO2混凝土的基本力学性能已有大量研究，但对于两种粒径纳米SiO2、水泥等三元混杂混凝土的力学性能研究较少。

因此，共设计了16组2种不同粒径和掺量下的纳米SiO2混凝土试件，并对其抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度进行测试，分析纳米SiO2粒径、掺量等因素对混凝土基本力学性能的影响，为今后的实际工程提供理论依据。

1 试 验

1.1 原材料

试验选用祁连山水泥厂强度为42.5普通硅酸盐水泥，性能指标符合ASTM C150规范，采用X射线衍射仪对水泥的化学组成进行分析，如表1所示。纳米SiO2选自广州利比公司，平均粒径分别为15nm和80nm，其物理性质如表2所示。粗骨料选用粒径为13.2～16mm之间的玄武岩碎石，密度为2.96×103kg/m3；细骨料为天然河砂，细度模数为2.25，密度为2.58×103kg/m3。

表1 水泥化学成分

表2 纳米-SiO2性质

试验采用两种粒径(15nm、80nm)纳米SiO2以四种比例(0.5%、1%、1.5%、2%)替代水泥掺入混凝土中，为了使纳米SiO2在混凝土中分散均匀，将纳米SiO2与水高速(120r/min)搅拌1min后，再加入混凝土中。水胶比固定为0.40，粗细骨料比保持为7∶3。共制备16组混凝土试样，具体配合比见表3。

表3 混凝土配合比设计

1.2 性能测试

分别制备100mm×50mm×50mm和200mm×50mm×50mm的立方体试件，按照ASTM C39和ASTM C293的规定测定混凝土试样的抗压强度和抗折强度。制备Φ150mm×300mm的圆柱形试件，按照ASTM C496-90的规定，分别测定其7d、28d、90d的劈裂抗拉强度。采用扫描电子显微镜对混凝土的表观形貌进行观测分析。

2 结果与讨论

2.1 抗压和劈裂抗拉强度

掺不同粒径纳米SiO2混凝土抗压强度如图1所示。随着纳米SiO2替代水泥比例增加，混凝土的7d、28d、90d抗压强度先增加后减小。用15nm SiO2从0.5%～2%，80nm SiO2从0.5%～1.5%替代水泥时，混凝土的7d、28d、90d抗压强度随着纳米SiO2替代比例的增加而增加；当15nm SiO2替代水泥的比例为2%，80 nm SiO2为0.5%～2%时，混凝土的7d、28d、90d抗压强度先增加后减小。但是，用2%15nm SiO2+2%80nm SiO2的混凝土抗压强度仍高于普通水泥的抗压强度(C0)。究其原因，适量的纳米SiO2和水泥水化产物Ca(OH)2生成C-S-H凝胶，提高水泥浆体的强度；另一方面，较细的纳米SiO2颗粒的填充作用使混凝土结构更加密实，提高其耐久性能。

图1 纳米SiO2混凝土的抗压强度

图2 纳米SiO2混凝土的劈裂抗拉强度

掺不同粒径纳米SiO2混凝土的劈裂抗拉强度如图2所示。相比于普通混凝土，添加纳米SiO2的N系列混凝土劈裂抗拉强度明显增强；与纳米SiO2混凝土抗压强度相同的是随着纳米SiO2替代水泥掺量的增加，纳米SiO2混凝土的劈裂抗拉强度变化趋势为先增大后减小；当粒径为15nm的SiO2掺量达到2%+80nm的SiO2掺量为1.5%(如样品N15所示)时，纳米SiO2混凝土的劈裂抗拉强度达到最大值，7d、28d、90d的劈裂抗拉强度分别为4.9 MPa、5.3 MPa和5.9 MPa；当继续增大纳米SiO2的掺量时，此时的纳米SiO2混凝土表现出劈裂抗拉强度表现出减小的趋势，但粒径为15nm的SiO2掺量达到2%+80nm的SiO2掺量为2%(如样品N16所示)时，纳米SiO2混凝土的劈裂抗拉强度还明显高于普通混凝土，可见纳米SiO2的加入可以明显提高混凝土的劈裂抗拉强度。

2.2 抗折强度

掺不同粒径纳米SiO2混凝土抗折强度如图3所示。对比C0系列混凝土和N系列混凝土在7d、28d、90d抗拉强度变化，可知纳米SiO2的加入大幅提升混凝土的抗折强度。对比N1～N4、N5～N8、N9～N12和N13～N16四组混凝土强度发现，当粒径为15nm的SiO2掺量稳定在0.5%～1.5%时，纳米SiO2的混凝土抗折强度随着粒径为80nm的SiO2掺量增加而逐渐增大；当粒径为15nm的SiO2掺量到达2%时，纳米SiO2混凝土随着粒径为80nm的SiO2掺量增加抗折强度表现为先增大后减小；反之，控制粒径为80nm的SiO2掺量不变而逐渐增大粒径为15nm的SiO2掺量，纳米SiO2混凝土抗折强度表现出同样的变化规律。当纳米SiO2混凝土不同粒径掺加比例为2%的15nm SiO2+1.5%的80nm SiO2时纳米SiO2的混凝土抗折强度达到最大值。

图3 掺不同粒径纳米SiO2混凝土的抗折强度

2.3 SEM分析

图4(a)、(b)分别为未掺加和掺加纳米SiO2混凝土的扫描电镜图，由图可以看出，未掺加纳米SiO2混凝土内部孔隙较大，孔结构级配较差，而掺加纳米SiO2混凝土的内部孔隙很少，这是因为纳米SiO2颗粒较细，可以填充混凝土内部孔隙。此外，纳米SiO2具有较高的活性，在碱性条件下可以参加水泥的水化反应，能够加快水化进程，生成较多的C-S-H凝胶填充了混凝土的孔隙，提高了混凝土的密实性，这明显改善了混凝土的力学性能[6～7]。

(a)普通混凝土(C0) (b)纳米SiO2混凝土

3 结 论

(1)通过对比普通混凝土和不同粒径及掺量的纳米SiO2混凝土的抗压、抗劈裂和抗折强度，发现通过添加纳米SiO2的方式，可以明显增大混凝土的力学性能。

(2)当纳米SiO2混凝土不同粒径掺加比例为2%的15nm SiO2+1.5%的80nmSiO2时纳米SiO2的混凝土的抗压、抗劈裂和抗折强度均达到最大值，表现出优异的力学性能。

(3)根据扫描电镜的微观分析，发现颗粒较细的纳米SiO2通过物理填充和碱性条件下的水化反应的双重作用提高了混凝土的密实性，改善了混凝土的力学性能。