纳米TiO2颗粒对SCC性能影响试验研究

陈成芹，张 微，覃 和，陈修乐

(1.西北民族大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730030；2.甘肃省新型建材与建筑节能重点实验室，甘肃 兰州 730030)

0 引言

混凝土是我国的主要建筑材料，环顾周围，我们所生活的环境就是混凝土的世界[1].纳米二氧化钛作为一种活性材料加入混凝土中，不仅使混凝土性能得到提高，还发挥混凝土的特殊功能，纳米二氧化钛混凝土的应用已经得到了环境科学领域的密切关注，成为当今建筑材料科学领域一大热点.

国内外学者研究探讨其对混凝土性能的影响，并取得了一定的成果.Senff[2-3][4]等人通过探讨纳米TiO2同硅酸盐水泥的砂浆黏度与屈服应力之间的关系，得出明显使拌合物流动性降低的现象，在掺入量为7%时，还可以帮助整个混凝土的凝胶体系结构形成，进而影响新拌混凝土的屈服应力.Jo等人[5]通过研究得出纳米TiO2可以对混凝土的微观结构有所改变，进而达到改善砂浆强度的目的.Nazari[6][7]研究得到纳米TiO2会对自密实混凝土(Self-compacting concrete，简称SCC)的各项性能指标造成影响，掺加水泥质量4%的纳米TiO2可以改善混凝土力学性能，特别是强度，主要原因它是以超细粉形式存在，可以堵塞混凝土内部的一些连通孔隙.国内也有很多专家对此进行了研究.钱春香等人将道路的面层材料作为研究对象，探究负载型纳米TiO2的光催化降解作用[8-10].大量的研究结果表明，将纳米TiO2掺入到混凝土中，可以改善混凝土的一些性能.本研究通过试验方法，主要研究不同掺量纳米TiO2颗粒对自密实混凝土性能影响变化规律.

1 原材料及混凝土配合比设计

1.1 原材料

1)水泥：选用兰州京兰水泥有限公司生产的P.O 42.5，表观密度(The apparent density)3.10 g/cm3，比表面积(Specific surface area)350 m2/kg，细度(fineness)394 m2/kg，具体化学成分及物理性能指标如表1～2.

表1 P.O 42.5 氧化物组成(%)

表2 P.O 42.5技术指标值

2)粉煤灰：选用河南省郑州市远恒环保工程有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰.灰色粉状，细度：43μm，2.4 g/cm3左右，含水量：0.5%左右，化学组成见表3.

表3 粉煤灰化学组成(%)

3)集料：细集料采用粗细中等的II 区河砂，表观密度(The apparent density)2715 kg/m3，堆积密度(Packing density)为1580 kg/m3， 细度模数(Fineness modulus)3.04.粗集料：采用榆中县某地产卵石，粒径 5～16 mm，均匀级配.表观密度(The apparent density)2735 kg/m3，堆积密度(Packing density)1563 kg/m3， 针片状颗粒含量5%，压碎值 2.75%.

4)拌和用水：普通自来水.

5)减水剂：采用聚羧酸绿色高性能高效减水剂，减水率37%.

6)纳米TiO2：选自河南万海化工产品有限公司.体积密度3.72 g/cm3，其他技术指标见表4.

表4 纳米TiO2技术指标[11]

1.2 配合比设计

混凝土设计强度 C35，纳米TiO2分别以所配置混凝土需要依据胶凝材料质量的0、3%、6%、9%、12%和15%计算[12]，参照文献[9]计算得出，结果见表5.

2 混凝土性能研究

1)和易性，对于SCC大流动性混凝土，采用坍落度筒和带有刻度的钢板结合测试其坍落扩展度值表示流动性的大小，结果见图1.

表5 混凝土配合比设计表[13]

由图1可知，随着纳米TiO2掺量的增加，坍落扩展度呈现大致降低的趋势.通过线性回归方程分析，相关系数R2大于0.99时为二次抛物线方程，最高阶函数的系数为-0.0661，表示纳米TiO2掺量与坍落扩展度拟合程度良好，存在最大值.根据线性回归方程计算得出，基准组时的坍落扩展度值是628.97 mm，掺量3%～21%时坍落扩展度值都超过600.00 mm，但是超过21%以后下降很明显.这表明纳米TiO2颗粒细小，比表面较大，导致SCC坍落扩展度降低.

2)立方体抗压强度，将新拌混凝土成型100*100*100 mm3试件，分别养护14d、28d，采用万能试验机给试件的约束面进行垂直施压，记录试件达到破坏时峰值荷载，并利用公式F/A(F表示最大压力值，A表示受压面面积)，结果见图2.

图1 坍落扩展度随纳米TiO2掺量变化曲线图 图2 混凝土抗压强度随TiO2掺量变化曲线图

由图2数据变化曲线可知：14d和28d龄期的SCC立方体抗压强度随着纳米TiO2掺量的增多呈现先增大后减小的现象.根据掺量的变化，对数据进行线性回归分析，由于混凝土强度影响因素比较多，只要强度保证率(简称P)不低于95%的混凝土在工程上使用都是安全的.14d的抗压强度值与纳米TiO2掺量通过线性回归，相关系数R2=0.9885，表明纳米TiO2与混凝土抗压强度呈现二次抛物线形式，拟合度良好.在纳米TiO2掺量为9%时，立方体抗压强度30.73MPa.龄期为28d时，二者呈现二次抛物线形式的相关系数R2=0.9601>0.95，满足工程质量验收标准.在掺量为7.5%～14.7%时，立方体抗压强度不低于36MPa，掺量为12%时达峰值36.89MPa，表明纳米TiO2无论是在混凝土早期还是后期，都发挥着胶凝作用，生成固相物质，使固相物质增多，再者还可以起到微骨料作用，堵塞混凝土中连通的一些孔隙或者微小裂缝使混凝土密实[14]，提高混凝土强度；纳米TiO2掺量过多时，比表面积大，所需拌合用水量增大，导致胶凝材料的水化过程得不到充分发挥，生成物会减少，影响强度.

3 结论

1)坍落扩展度结果表明，随着纳米TiO2颗粒掺入量增加，新拌SCC流动性大致呈降低趋势，根据线性回归方程计算得出，基准组时的坍落扩展度值是628.97 mm，掺量3%～21%时坍落扩展度值都超过600.00 mm，但是超过21%以后下降很明显.这表明纳米TiO2颗粒细小，比表面较大，导致SCC坍落扩展度降低.

2)14 d的抗压强度值与纳米TiO2掺量通过线性回归，相关系数R2=0.9885，表明纳米TiO2与混凝土抗压强度呈现二次抛物线形式，拟合度良好，在纳米TiO2掺量为9 %时，立方体抗压强度达峰值30.73 MPa.龄期为28 d时，在掺量为7.5 %～14.7 %时，立方体抗压强度不低于36 MPa，掺量为12 %时达峰值36.89 MPa.综合SCC的性能指标变化，本研究建议纳米TiO2颗粒的合理掺入量在7.5 %～14.7 %时性能良好.