低温养护下纳米混凝土抗压强度试验研究

夏百惠 张晏 陈志捷 杨硕 杨锰 张克启

摘 要：试验分别研究了低温（3℃）、常温（20℃）、常温转低温，低温转常温在不同龄期（3d、7d、14d、28d）养护条件下纳米材料对混凝土抗压强度的影响规律，结合北方冬期施工条件，对低温下纳米混凝土抗压强度结果进行分析，试验结果表明，掺加纳米的混凝土抗压强度比普通混凝土的高，随着养护龄期的增加，混凝土的强度不断提高。纳米材料的掺入可提高混凝土抗压强度，确定了低温养护下纳米混凝土抗压强度随龄期变化的增长规律。

关键词：纳米;养护;抗压强度;恒温;变温

混凝土作为一种主要的建筑材料，广泛应用于各类建筑中，其强度和耐久性是混凝土力学性能中最重要的特性。基础设施建设的快速发展使混凝土材料的应用范围越来越广，也推动了混凝土材料的高耐久性、高强度、可持续发展等方面的应用。我国幅员辽阔，南北温差很大，北方大部分地区进入冬期时间较早且持续时间长，为了能尽早完工，需在冬期进行施工建设，但由于混凝土在低温条件下抗压强度低，因此限制了我国北方冬季施工，且混凝土结构在冬期施工中容易出现强度不足、裂缝过多等质量隐患，进而影响建筑物的安全性及耐久性。目前在混凝土冬期施工中，为了防止混凝土早期凝固時被冻坏，保证其后期强度，会在施工和养护期间采取一些措施，如蓄热法、外部加热法等加热原材料的方法，预留施工缝用特殊材料进行填补的方法以及掺加外加剂等，但这些措施不仅会增加施工难度，延缓施工进度，同时也会改变混凝土的一些性能，影响工程质量。

国内外众多实验结果表明，纳米材料能够显著提高混凝土的力学性能及耐久性。周胜波等[1]发现纳米二氧化硅能在一定程度上改善机制砂混凝土抗压强度，对混凝土抗冻性能改善作用显著;蒋方听等[2]认为试件在不同养护龄期和不同纳米二氧化硅掺量的条件下，水泥混凝土改性效果不同;苗生龙等[3]发现纳米CaCO3的添加改善了混凝土的基体结构，减少了内部缺陷，使混凝土密实度增加，提高了混凝土的抗压强度和耐高温性能。也有学者对混凝土低温条件下的各项性能做了相关研究。张润潇等[4]研究了恒定低温养护情况下，混凝土早期抗压与抗拉强度的增长规律，发现养护温度与龄期对混凝土增长强度有着非常重要的影响;张杰[5]进行了低温环境下预拌混凝土试验，认为必须根据现场实际情况采取切实可行的技术措施来提高低温环境下混凝土工程的施工质量。然而，关于纳米混凝土在低温条件下强度变化规律的研究还较少。本试验结合寒冷地区混凝土冬季施工条件，研究低温养护（020℃）对纳米混凝土抗压强度增长的影响规律，系统地介绍低温环境下纳米混凝土的制备和试验过程，且对试验结果进行系统全面的分析研究，以期对纳米混凝土在寒冷地区的广泛应用提供一定的参考价值。

1 试验设计

1.1 试验原材料

水泥采用辽宁省鞍山市某厂家生产的P.0 42.5级硅酸盐水泥;拌合水采用实验室的普通自来水;细集料为中砂，细度模数为2.73;粗集料为玄武岩碎石，粒径大小为5～20mm;减水剂为聚羧酸高性能减水剂（Q8081PCA），减水率为25%;纳米材料采用二氧化硅（CAS号：7631869）。

1.2 试验方案

1.2.1 配合比

试验采用两种配合比混凝土，如表1所示。

1.2.2 试验过程

试验过程参照GB/T 500802016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB 501192013《混凝土外加剂应用技术规范》、GB 510812015《低温环境混凝土应用技术规范》和JTG E302005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行。

2 试验结果与分析

2.1 恒温条件下纳米材料对混凝土抗压强度的影响

混凝土的强度增长速度是一个由快到慢的过程，由于反应物的量是一定的，故混凝土后期强度发展有一个极值。对比图1中不同温度条件下养护龄期与抗压强度的关系，可以看出，纳米混凝土与普通混凝土在恒温养护条件下，养护龄期分别为3天、7天、14天和28天时对应的强度值不同。在3℃和20℃养护七天的普通混凝土抗压强度分别为17.6MPa和28.0MPa，而纳米试件在相同养护条件下的强度分别为25.2MPa、34.9MPa;与普通混凝土强度相比分别提高了432%和24.6%;而在养护龄期为28天的条件下3℃和20℃养护的普通混凝土强度分别为34.1MPa、47.9MPa，纳米混凝土试件的强度分别为43.3MPa、54.3MPa，强度分别提高了27.0%和13.4%。

综合以上数据可以得出，在同龄期情况下，纳米材料的掺入对混凝土的抗压强度具有显著提升效果，这是因为对于混凝土而言，掺入纳米材料可以很好地填充骨料间的空隙，从而提高了混凝土的密实度。而随着养护龄期的增长与温度的提高，纳米混凝土与普通混凝土试件的强度均普遍提高，并且养护时间越长，养护温度越高，混凝土抗压强度越高。

2.2 变温条件下纳米材料对混凝土抗压强度的影响

可以发现，变温条件下，养护温度和养护时间相同的条件下，纳米混凝土的抗压强度均高于普通混凝土的强度。普通混凝土和纳米混凝土试件在20℃条件下养护3天后转到3℃条件下养护，测得的抗压强度分别为372MPa和40.3MPa;养护7天后变温，抗压强度达到424MPa和44.5MPa，与3天后变温的强度相比，分别提高140%和10.4%;养护14天后变温，抗压强度分别提高185%和20.6%;20℃条件下养护28天，抗压强度分别提高28.8%和34.7%。说明变温条件下，当养护温度相同时，常温养护时间越长，普通混凝土和纳米混凝土的抗压强度越高。