纳米SiO2改性水泥混凝土抗盐冻性能研究

2020-09-14孙琳

中外公路 2020年4期

孙琳

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州 510507)

水泥混凝土由于其较高的承载能力及安全舒适等特点成为国内外应用最广的路用材料，然而其具有低抗弯拉强度、高刚度及高脆性等不足，使其服役期间经常出现断裂等破坏，严重影响其使用功能及服役寿命。近年来纳米材料应用越来越广，逐渐被广大道路研究者应用于道路材料中。纳米SiO2由于其物理填充作用、优越的稳定性、补强性及更为彻底的火山灰效应，国内外众多学者对其在混凝土结构中的应用情况展开了大量研究。

纳米SiO2应用于混凝土中其微观结构、水化性能、力学性能均有明显的提高。纳米SiO2可以促进混凝土水化，并在水化早期与Ca(OH)2迅速发生二次水化反应，生成更为稳定的C-S-H凝胶，且在掺量为0.25%～3%时其诱导水化反应进程速度更快。Salkhordeh等及Hosseini等均发现纳米SiO2的掺入可极大提高混凝土的抗压强度,10%掺量水平可提升约64.86%的混凝土28 d抗压强度。同时纳米SiO2对混凝土的抗弯拉强度及疲劳寿命亦有大幅度提升，李朋飞等研究发现，0.75%掺量水平下，其改性混凝土抗弯拉强度可提升7.4%以上，同时在0.75、0.80、0.85的应力水平下，混凝土疲劳寿命可分别提升48.4%、48.6%、68.6%。此外，徐晶等采用纳米压痕技术对纳米SiO2改性混凝土界面过渡区(ITZ)进行表征，并建立了分析模型，结果发现，纳米SiO2由于其自身的物理填充作用及火山灰效应产物，极大填充了混凝土内部微孔，并主要提高了ITZ的力学强度，可提高60%ITZ与浆体之间的模量，明显改善ITZ的微观结构。

纳米SiO2改性混凝土具有更好的微观结构、水化性能、力学性能，然而水泥混凝土路面服役过程中往往由于温度、水分、盐离子等影响而受到冻融破坏，因此，纳米SiO2改性混凝土能否具有良好的应用前景，其抗盐冻融循环性能至关重要，目前，国内外学者对此研究尚且不足。基于此，该文将以单位面积剥蚀量及相对动弹模量为评价指标对纳米SiO2改性混凝土进行抗盐冻试验，同时利用三点弯曲试验，并以断裂韧度及断裂能为参数，评价其经受盐冻循环后的性能损失，最后以试验结果建立盐冻融循环损伤回归方程。研究结果将对纳米SiO2改性混凝土实际工程的施工及冻融损伤预测提供依据。

1 试验

1.1 原材料

试验采用P.O.42.5级普通硅酸盐水泥，其物理力学性能如表1所示；粗集料采用粒径为4.75～9 mm及9.5～19 mm的反击破花岗岩碎石，表观密度为2.71 g/cm3，其最大堆积密度时混合比例为1∶4；细集料为细度模数为2.70的河砂，含泥量为0.62%，表观密度为2.63 g/cm3；减水剂为JB-ZSC型聚羧酸高性能减水剂，减水率为26%，含气量为3.1%。纳米SiO2(NS)采用固体粉末状，参数指标如表2所示。

1.2 配合比设计

试验中以基准水胶比W/B=0.31的C40混凝土为载体，新拌混凝土坍落度在36～44 mm范围内波动，满足JTG F30-2003《公路水泥混凝土路面施工技术规范》中25～50 mm的要求，其7、28 d抗弯拉强度分别为5.43、6.52 MPa，28 d抗压强度为49.72 MPa，试验中纳米SiO2掺量为水泥质量的0.5%(2#)、1.0%(3#)、1.5%(4#)、2.0%(5#)、2.5%(6#)。具体配合比如表3所示。

表2 纳米SiO2参数指标

表3 混凝土配合比

1.3 试验设计

根据表3配合比制作100 mm×100 mm×400 mm的小梁试件，借鉴美国ASTM C672-2003规范中的冻融循环升降温制度(慢冻法)采用整体受冻方法对纳米SiO2改性混凝土进行抗盐冻试验，并根据GBJ 82-85《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》以单位面积剥蚀量、相对动弹模量及断裂特征参数为评价指标。

试件成型并标准养护24 d后，在4%的NaCl溶液中浸泡至28 d，开始进行试件初始质量、动弹模量及断裂特征参数测试，然后对试件进行冻融循环，以(-17±2.8) ℃的低温试验箱内冻结16～18 h及常温(23±1.7) ℃中融化6～8 h为一次循环，每10次冻融循环后测试试件质量、动弹模量及断裂特征参数。

研究以断裂韧度及断裂能为断裂特征参数，采用MTS-810万能试验机进行三点弯曲试验测试断裂性能，加载速度为0.02 mm/min，并在测试前于试件跨中底部预制1 cm深、1～2 mm宽的裂缝，以保证加载过程中裂纹朝同一方向扩展，同时利用高精度夹式引伸计获得试件的F-CMOD(裂缝开口位移曲线)，并通过计算确定混凝土的断裂韧度KIC及断裂能Gf。

2 结果与分析

2.1 单位剥蚀量及相对动弹模量

图1为盐冻融循环后纳米SiO2改性混凝土单位面积剥蚀量及相对动弹模量测试结果。

由图1可见：在盐冻融循环条件下，纳米SiO2的掺入，使得混凝土单位面积剥蚀量有了明显的降低，在冻融循环次数较少时，纳米SiO2改性混凝土未显示出较优的抗冻性能，其单位面积剥蚀量与基准组混凝土大致相近，然而随着冻融循环次数的增加，掺入纳米SiO2组混凝土表现出优良的抗冻性能，其单位面积剥蚀量较未掺加组混凝土显著减小，同时，纳米SiO2掺量的增加对混凝土单位面积剥蚀量的影响并不显著，其降低效果仅随着掺量的增加有稍许的提高，并在掺量高于2.0%后有些许下降。经历40次盐冻融循环后，2.0%掺量下4#组混凝土单位面积剥蚀量降低效果最显著，较基准组减少近70%。60次盐冻融循环后，2#～6#组纳米SiO2改性混凝土单位面积剥蚀量分别比基准组低37.5%、39.86%%、45.5%、49.4%、47.6%。由相对动弹模量测试结果可见：纳米SiO2对盐冻融后混凝土的相对动弹模量亦有较大提升，随着盐冻融次数的增加，纳米SiO2对其改善效果越显著，且随着纳米SiO2掺量的增加，其提升效果表现出先增大后减少的现象。60次盐冻融循环后，2.0%纳米SiO2掺量下，其改性混凝土相对动弹模量可较基准组混凝土提高24.2%，而2.5%纳米SiO2掺量仅可提升21.8%。

图1 纳米SiO2改性混凝土抗盐冻性能试验结果

纳米SiO2掺入后，在混凝土内部参与水化反应，并与Ca(OH)2反应，可增大C-S-H凝胶含量，增加混凝土结构致密性，减少混凝土内部孔隙数量，从而切断外界水分进入混凝土内部的通道，进而对混凝土抗盐冻融循环能力有明显提升作用。

2.2 断裂韧性损失率

借鉴美国ASTM规范，利用混凝土F-CMOD曲线进行断裂韧度计算，如式(1)、(2)所示。其中30次盐冻融循环后纳米SiO2改性混凝土F-CMOD曲线如图2所示。纳米SiO2改性混凝土20、30次盐冻融循环后断裂韧度损失率如图3所示。

(1)

(2)

式中：KIC为断裂韧度(MPa·m1/2)；Fmax为试验最大荷载(N)；S为试件的跨度(mm)；h为试件高度(mm)；t为试件宽度(mm)；a为预裂缝深度(mm)。

图2 30次盐冻融循环后纳米SiO2改性

图3 纳米SiO2改性混凝土断裂韧度损失率

由图2、3可知：纳米SiO2可参与混凝土内部水化，提高其水化程度，从而改善混凝土抗裂性能，减缓混凝土开裂进程，并增大混凝土断裂时的最大挠度。因此，纳米SiO2可明显提高混凝土冻融循环后的断裂极限荷载，且其改善效果存在最佳掺量值。30次盐冻融循环后，2.0%掺量水平下其改性混凝土断裂极限荷载最大可提升将近1倍，同时1.5%掺量水平下纳米SiO2可有效延缓混凝土的开裂时间。此外，在20次及30次盐冻融循环条件下，掺入纳米SiO2后，混凝土的断裂韧度损失率均明显降低，且随着掺量的增加，其改性混凝土断裂韧度损失率表现出先降低后有所增大的趋势，在20、30次盐冻融循环下，2.0%纳米SiO2掺量组断裂韧度损失率较基准组可分别减小27.4%、29.5%。总体来说，纳米SiO2对混凝土孔结构的细化等改善作用，可有效减少外界离子进入混凝土内部，从而降低混凝土所受侵蚀，同时纳米SiO2对混凝土内部界面过渡区的增强，可减少冻融微裂纹的产生，因此，纳米SiO2可显著提高混凝土盐冻融循环后的断裂韧度损失率。

2.3 断裂能衰减

断裂能是指试件从承受荷载作用开始直至断裂时，外力对试件单位面积物体所做的功，其计算公式如式(3)所示。纳米SiO2改性混凝土经受盐冻融循环后的断裂能损失率如图4所示。

图4 纳米SiO2改性混凝土断裂能损失率

(3)

式中：Gf为断裂能(N/m)；W0为荷载-位移曲线所围面积(N·mm)；m为支座间试件的质量(kg)；g为重力加速度，取9.8 m/s2；δ0为跨中最大位移(mm)；Alig为韧带面积(mm2)；a0为试件预裂缝深度(mm)；b为试件宽度(mm)；h为试件高度(mm)。

由图4可知:除20次盐冻融循环条件下0.5%、2.5%掺量外，纳米SiO2改性混凝土经受盐冻融循环后的断裂能损失率均明显低于基准组混凝土，且呈现出随着掺量的增加先减小后增大的趋势。20次盐冻融循环条件下，1.5%掺量水平下，纳米SiO2改性混凝土断裂能损失率仅为24.7%，较基准组减少6.2%；30次盐冻融循环条件下，2.0%掺量水平下，纳米SiO2改性混凝土断裂能损失率仅为35.1%，较基准组减少10.9%。因此可见，纳米SiO2对混凝土经受盐冻融循环后断裂能损失率的改善作用存在最佳掺量，且最佳掺量为1.5%～2.0%。分析原因为基准组混凝土中的水泥石-骨料界面过渡区普遍存在Ca(OH)2板状晶体富集、定向排列的现象，该区域材料水胶比较高且孔隙较多，在承受荷载时裂缝常沿着界面过渡区迅速扩展。当掺入纳米SiO2后，纳米SiO2与Ca(OH)2反应，降低Ca(OH)2晶体的存在数量，避免Ca(OH)2晶体定向排列，并增加水化产物C-S-H凝胶体的生成数量，使界面过渡区结构更加密实坚固，从而增大冻后断裂能并减小冻后断裂能损失率。

2.4 盐冻融损伤回归方程

为确立纳米SiO2改性混凝土抗盐冻性能影响因素与各项评价指标(单位面积剥蚀量Qs、相对动弹模量P、断裂韧度损失率DKIC以及断裂能损失率DGf)之间的定量关系，在前述抗盐冻性能试验结果的基础上，采用多元回归分析方法，以纳米SiO2掺量M及冻融次数N为自变量，建立W/B=0.31时纳米SiO2改性混凝土盐冻融损伤回归方程，从而为其耐久性设计奠定理论基础。

采用Origin数据分析软件将M和N两因素对路面混凝土Qs、P、DKIC以及DGf的影响进行多元回归分析，分别得到式(4)～(7)中的盐冻融损伤回归方程，相应回归统计结果如表4所示。

Qs=-25.724M+257.248M2+0.074N+2.692

(4)

P=62.756M-496.254M2-0.492N+126.981

(5)

DKIC=-759.638M+8 592.142M2+1.985N+16.952

(6)

DGf=79.128M-3 924.851M2+1.587N+13.657

(7)

表4中抗盐冻指标Qs、P、DKIC、DGf对应的F值分别为86.917、9 856.721、129.958以及612.572，均大于F(α=0.05)(5，11)=4.704。此外，式(4)～(7)回归方程的相关系数R2均大于0.850，说明在W/B=0.31时，纳米SiO2改性混凝土单位面积剥蚀量、相对动弹模量、断裂韧度损失率以及断裂能损失率与其掺量、冻融次数之间存在较为显著的数学关系，式(4)～(7)能够较精确地对纳米SiO2改性混凝土的抗盐冻性能进行预测。