纳米SiO2改性传统陶粒混凝土及力学性能研究

2023-10-20程兴旺冉旭勇韩军昭

粘接 2023年10期

程兴旺,张超,冉旭勇,韩军昭

(1.陕西工业职业技术学院土木工程学院,陕西咸阳 712000;2.中建钢构有限公司,四川成都 620564)

铁尾矿陶粒混凝土因其来源广泛,价格低廉,在各个领域得到了广泛使用。但受陶粒自身强度的影响,陶粒混凝土的力学强度较低,对其应用产生了极大的限制。为了提升陶粒混凝土性能,部分学者也进行了很多研究。如通过优化陶粒混凝土配比优化对混凝土进行优化[1]。通过往陶粒混凝土内添加粉煤灰增强其力学和干燥收缩性能,试验结果表明:该混凝土具有早强特征.缺水养护条件下,添加粉煤灰的蒸压陶粒轻骨料混凝土残余强度仍可达80%以上。蒸压陶粒轻骨料混凝土的干燥收缩随龄期增长而增加,0%～30%掺量的粉煤灰对混凝土的干燥收缩无明显影响[2]。以粉煤灰与硅粉替代部分水泥,优化陶粒混凝土的性能[3]。通过钢纤维对陶粒混凝土的耐高温性能进行优化[4]。基于此,本试验以文献[5]的方法为参考,通过纳米二氧化硅对陶粒混凝土进行改性,并对改性后陶粒混凝土力学性能进行分析。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料:P·O42.5水泥(德翊机械);粉煤灰(I级),百益矿产品;减水剂(AR),鸿泉化工;铁尾矿陶粒(I级),恒远利废;砂(Ⅱ级),聚硅矿业;纳米二氧化硅(AR),博建精细化工。

主要设备:HN-1500型超声波材料分散器(欧莱博技术);YES-300型压力试验机(研瑞测试仪器);EVO型扫描电镜(同盛设备科技);JW750型水泥搅拌机(雷博机械设备)。

1.2 试验方法

(1)通过HN-1500型超声波材料分散器将纳米二氧化硅在水中分散,分散时间为45 min,得到悬浮液。将减水剂倒入悬浮液内,缓慢搅拌5 min使其混合均匀;

(2)将干料倒入搅拌机内进行干拌,时间为2 min,然后倒入悬浮水剂,先搅拌2 min,之后静置30 s;然后继续搅拌2 min;

(3)提前对模具进行刷油处理,然后将拌合物倒入模具中,在振动台的作用下振动密实,振动时间为10 s,养护1 d脱模编号后,继续标准养护至指定龄期。

表1 混凝土配合比设计

1.3 性能测试

1.3.1和易性分析

参照GB 50080—2016 中的方法和标准对改性陶粒混凝土的和易性进行分析[6-7]。

1.3.2表观密度分析

以JGJ/T 12—2019 规定为指标,对陶粒混凝土的表观密度进行测试[8]。

1.3.3抗压强度测试

参照GB/T 50081—2016 通过 YES-300型压力试验机对混凝土力学性能进行测试,加载速度为4 kN/s[9-10]。

抗压强度表达式[11]:

(1)

式中:fCN为抗压强度,MPa;N为破坏极限荷载,N;A为受压面积,mm2。

1.3.4劈裂抗拉强度

参照GB/T 50081—2002通过压力试验机对改性混凝土劈裂抗拉强度和弹性模量进行测试,加载速度为0.4 kN/s[12]。

劈裂抗拉强度表达式为:

(2)

式中:fts为劈裂抗拉强度,MPa;F为极限载荷,N;A为试件破裂面面积,mm2。

弹性模量表达式为[13]:

(3)

式中:Ec为弹性模量,MPa;Fa为轴心抗压强度三分之一的荷载值,N;F0为5MPa 的初始荷载值;A为试件横切面积,mm2;L/Δn为横向应变值。

1.3.5微观形貌

通过扫描混凝土内部形貌。

2 结果与讨论

2.1 基础性能分析

2.1.1和易性研究

以最高纳米二氧化硅掺量为1.2%的混凝土为研究对象,对其和易性进行分析,结果表明:该混凝土最小坍落度和扩展度分别为177、376 mm,铁尾矿陶粒均匀在混凝土试件中分布,几乎不出现上浮现象,表面观察不到裸露的尾矿陶粒和明显孔洞,试件表面光滑,满足GB 50080—2016 要求[14]。

2.1.2表观密度

表2为表观密度测试结果。

表2 表观密度测试结果

由表2可知,在纳米二氧化硅掺量为0.3%～1.5%时,制备的混凝土表观密度均未超过 1 950 kg/m3,满足JGJ/T 12—2019 规定[15-16]。

2.2 微观形貌分析

图1为本试验制备的部分混凝土内部形貌。

(a)a组普通混凝土

由图1可知,纳米二氧化硅在改性混凝土内部均匀分散,对改性混凝土的纳米孔隙起到一定的填充作用,孔隙和微裂缝明显减少,混凝土的密实性增强[17]。但纳米二氧化硅掺量过多时,相互团聚,无法对混凝土内部孔隙进行填充。水化产物逐渐从絮状从层状转化,最后变为棱状[18]。絮状的水化产物可以与胶凝材料结合的更为紧密,因此力学性能较高,而棱状水化产物与胶凝材料结合会产生一些缝隙,影响其强度[19]。因此,在掺量较大的情况下,纳米二氧化硅团聚效应也较大,此时在水泥基体中反而成为了薄弱点,对改性混凝土力学性能产生不良的影响,这一点在后续力学性能试验中会有体现。

2.3 抗压强度测试结

图2为抗压强度测试结果。

图2 抗压强度测试结果

由图2可知,当养护龄期为3 d时,纳米二氧化硅掺量为0.3%(b组)的混凝土抗压强度最高为34.5 MPa,较普通混凝土提升了约33%。当养护龄期为28 d时,A1组混凝土抗压强度最高为52.8 MPa,较普通混凝土提升了约16.8%。总体来说,改性混凝土强度与纳米二氧化硅掺量表现出负相关关系。出现这个变化的主要原因在于,在混凝土内部含有过量的纳米二氧化硅时,二氧化硅自身会发生团聚,影响改性效果,对混凝土抗压强度表现出不良影响。

图3为部分试件破坏形态。

图3 混凝土破坏形态

由图3可知,当纳米二氧化硅掺量较少(b组)时,铁尾矿几乎完全被破坏。而纳米二氧化硅掺量增多,界面开始出现结构完整的铁尾矿陶粒,且纳米二氧化硅掺量越多,结构完整的铁尾矿越多。这就说明体系内纳米二氧化硅掺量越多,参与受力的铁尾矿陶粒颗粒就越少。而铁尾矿陶粒所在的区域存在大孔隙,这在混凝土内部是作为薄弱点存在的,其参与受力的铁尾矿陶粒颗粒越少,薄弱点越多,则混凝土强度越差[20]。

2.4 劈裂强度

图4为28 d混凝土劈裂强度。

图4 劈裂抗拉测试结果

由图4可知,当纳米二氧化硅掺量为0.6%时,改性混凝土劈裂强度达到最高,为4.45 MPa,较普通混凝土劈裂强度提升了约51.7%。而纳米二氧化硅掺量为0.3%时,改性混凝土劈裂强度为3.69 MPa,较普通混凝土提升了约26%。出现这个变化的主要原因:受纳米二氧化硅成核位置的影响,水泥水合作用加快,这对提升混凝土强度产生积极的影响。同时,纳米二氧化硅独有的纳米尺寸对水泥浆的孔结构有细化作用。再加上水泥浆体中的钙离子会促进纳米二氧化硅形成团聚体,纳米二氧化硅团聚体在水泥内部会发挥类似于纤维的作用,改善了水泥基体的韧性和强度。而团聚体表面的起皱与折叠效应可以促进水泥基体与纳米二氧化硅纤维结合的更为充分,使其劈裂强度有一定增加。但体系内纳米二氧化硅掺量过多时,在较大团聚效应的作用下,纳米二氧化硅团聚体自身力学性能下降,使得水泥基体增韧效应消失,还会影响水泥基体的密实性,降低水泥基体的抗劈裂性能。