纳米玻璃粉和粉煤灰对混凝土性能的影响研究

2024-05-06李红玉

佛山陶瓷 2024年4期

李红玉

（山东省工程建设标准造价中心，济南 250000）

1 前言

纳米技术的出现，可通过改变材料微观结构制备性能更好的新型混合材料，为工程中材料发展提供了新的方向。尽管纳米技术已应用于其他工程领域，但建筑业尚未充分利用纳米材料所提供的优势[1]。

玻璃粉和粉煤灰作为水泥的替代材料，均可用于改变混凝土的微观结构。由于粉煤灰中氧化铝含量较高，粉煤灰改性混凝土具有较高的氯化物结合能力，而玻璃粉中碱含量较高[2]。玻璃粉对混凝土性能的影响仍然是一个有争议的问题，部分学者认为玻璃粉的SiO2含量最高，是发生火山灰效应的原因，Na2O 是玻璃粉的第二大成分，是碱硅酸反应的原因，但其他学者指出，火山灰效应和碱硅酸反应都是由于玻璃粉的粒径大小决定的[3]。

本文采用纳米级玻璃粉和粉煤灰替代水泥制备混凝土，通过对混凝土工作性、力学性能和碱硅酸反应测试纳米玻璃粉和粉煤灰对混凝土性能的影响。

2 材料与方法

2.1 材料

2.1.1 胶凝材料

本研究使用的废玻璃为钠钙玻璃。采用自上向下的方法将玻璃粉碎、研磨成平均粒径为100nm 的纳米粉末，并进行适当的混合，以确保在混凝土混合物中不存在较大尺寸的颗粒。本研究采用符合GBl75-1999《硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥》的普通硅酸盐水泥。普通硅酸盐水泥(P.O42.5) 从本地的水泥加工厂获得，粉煤灰(FA)是煤燃烧的副产品，通过对发电厂燃烧的废料进行粉碎获得。普通硅酸盐水泥、粉煤灰和纳米玻璃粉的化学成分如表1 所示。

表1 水泥、粉煤灰和纳米玻璃粉的化学成分（wt%）

2.1.2 细骨料和粗骨料

采用天然河砂作为细骨料，碎石灰石作为粗骨料。河砂的比重为2.68，吸水率为2.12%，碎石灰石的比重为2.61，吸水率为1.79%。两种骨料的筛分析的结果见图1。

图1 天然骨料的筛分析结果

2.1.3 外加剂

采用高效减水剂聚羧酸醚(PCE)来改善地聚物混凝土的和易性。

2.2 混凝土配合比

本研究考虑了三种混合材料，作为在混凝土中使用纳米玻璃粉作为火山灰材料的初步研究。第一种混合料为对照组，水泥用30%的粉煤灰替代，第二种混合料中水泥用15%的粉煤灰和15%的纳米玻璃粉替代，第三种混合料不使用粉煤灰，仅用纳米玻璃粉替代30%的水泥。研究了粉煤灰和纳米玻璃粉替代部分水泥对混凝土性能的影响。试验配合比按照JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》配比。将表面干燥的细骨料和粗骨料倒入搅拌机中，充分混合，然后加入一部分水和一定量的外加剂。在搅拌过程中加入水泥、粉煤灰、纳米玻璃粉和剩余的水。所有材料都已加入后，搅拌混凝土3min，以保证混凝土所有材料混合均匀。三组混凝土的配合比如表2 所示。

表2 混凝土的配合比(kg/m3)

2.3 试验方法

2.3.1 工作性测试

对三种混凝土混合料的拌合物性能进行了测定和比较。根据GB50164-2011《混凝土质量控制标准》测试坍落度来衡量混凝土拌合物的工作性，并测量了凝结硬化后的空气含量。

2.3.2 力学性能测试

进行的力学性能试验包括抗压强度、劈裂拉伸强度和弯曲强度。按照GB/T50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》，在湿润养护后的第7 天、第14 天和第28 天龄期，通过万能试验机对直径100mm×高200mm 圆柱体试样进行了抗压强度测试。每种混凝土制备三个试件，取三次测试值的平均值作为混凝土的抗压强度。同样，在湿润养护后的第7 天、第14 天和第28 天龄期，对直径100mm×高200mm 圆柱体试样进行了劈裂抗拉强度测试。在湿润养护后的第28 天龄期，对长550mm×宽150mm×高150mm 的混凝土梁进行抗弯强度试验。试样在垂直于浇注方向的面上加载。持续施加载荷直到断裂，测量并记录断裂的位置。采用简单梁弯曲方程计算混凝土的断裂模量。

2.3.3 碱硅酸反应试验

碱硅酸反应试验按照我国《水工砼试验规程》中“骨料碱活性检验(砂浆长度法)”进行。浇筑尺寸为25mm×25mm×285mm 的棱形试件，试件按照表2 中胶凝材料的比例，由水胶比为0.45 的砂浆制成。用钢模具制备棱柱, 用塑料和可拆卸的胶带覆盖，在25±2℃的温度和95%的相对湿度的潮湿房间固化24 小时。脱模后用数字长度比较器测量初始长度。然后将试件保存在氢氧化钠溶液中。在第14 天和28 天取出测量长度。记录试样的长度并计算膨胀量，以初始长度作为参考长度。碱硅酸反应试验取三个试件的平均值作为最终结果。

3 结果和讨论

3.1 混凝土的工作性

本研究测量的两个工作性是流动性和空气含量。采用坍落度试验测定混凝土的流动性。三种混凝土的坍落度值见图2。可以看出，S2的坍落度在三种混凝土混合料中最高。纳米玻璃粉的颗粒有棱角，粉煤灰颗粒呈球形。这些颗粒的形状导致混凝土混合物不同的流动性。球形颗粒在混凝土混合物内可充当球轴承，通过减少混凝土混合物内的摩擦力产生润滑效果。相比之下，纳米玻璃粉有棱角，吸水能力低，表面积大，表面光滑。两种颗粒之间的相互作用影响了混凝土混合物的流动性。虽然粉煤灰颗粒呈球形，具有提高流动性的能力，但它们会吸收混凝土混合物中的部分水分，减少润滑所需的水分，从而降低流动性。需要注意的是，当粉煤灰掺量较高时，坍落度降低。相比之下，具有较低吸水率的纳米玻璃粉末由于其形状而降低了流动性。与仅含粉煤灰(30%)和仅含纳米玻璃粉(30%)的混凝土混合物相比，同时掺有粉煤灰(15%)和纳米玻璃粉(15%)的混凝土混合物表现出最好的工作性。

图2 混凝土的坍落度

如图3 所示，S1和S3的空气含量几乎相同。粉煤灰和纳米玻璃粉增加的和易性破坏了混凝土中的气孔，这一点在S2中表现很明显，S2的和易性最好，但空气含量最低。此外，粉煤灰和纳米玻璃粉中未燃烧的碳吸附引气剂，从而减少了混凝土中的空气含量。为了增加混凝土中的空气含量，建议在不降低工作性的前提下，增加引气剂的用量。

图3 混凝土的空气含量

3.2 混凝土的力学性能

三种混凝土不同龄期的抗压强度结果见图4。以S1作为对照组，S2和S3的早期的抗压强度较高。在水泥发生水化反应的第一阶段(水泥与水的反应)，产生了水合硅酸钙和氢氧化钙。在第二阶段，粉煤灰和纳米玻璃粉中的二氧化硅与氢氧化钙反应产生额外的水合硅酸钙，这将会产生更致密的微观结构。如图5 所示，S1和S3在7 天龄期的抗压强度较低。早期强度的损失可能是由于用粉煤灰和纳米玻璃粉替代水泥而减少了水泥总量，水化反应速度较慢，粉煤灰和纳米玻璃粉混合空气含量较低，较为致密，因此S2的抗压强度略高于S1和S3。纳米玻璃粉末和粉煤灰的火山灰效应使混凝土抗压强度有所提高。由于粉煤灰和纳米玻璃粉的火山灰作用以及纳米玻璃粉的细度和混凝土结构的致密化，S2在第28 天龄期抗压强度最高。从S3的抗压强度可以看出，增加混凝土混合物中纳米玻璃粉的百分比会导致抗压强度降低。

图4 混凝土不同龄期的抗压强度

图5 混凝土不同龄期的抗拉强度

混凝土在不同龄期的劈裂抗拉强度见图5，可以看出，混凝土不同龄期的抗拉强度变化规律与混凝土的抗压强度类似。S2在不同龄期的抗拉强度均高于S1和S3。在28 天龄期时，S2和S3的抗拉强度均高于对照组S1。

采用四点弯曲试验测定混凝土在28 天龄期的抗弯强度。之所以选择四点弯曲，是因为在三点弯曲中，仅在跨中施加一个集中荷载，导致跨中弯矩为最大值，弯矩分布不均匀，达不到试验效果，而四点弯曲作用有两个对称的集中荷载，荷载之间的弯矩均匀分布，试验结果较为准确。

混凝土在28 天龄期的抗弯强度结果见图6。可以看出，与混凝土的抗拉强度和抗压强度的结果相似，三组混凝土中，S2具有最高的抗弯强度。纳米玻璃粉末产生的火山灰效应提高了混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗弯强度。但是，当纳米玻璃粉末含量超过15%时，混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗弯强度下降，可能是由于纳米玻璃粉的颗粒聚集，在混合过程中颗粒不能均匀分散。纳米玻璃粉的颗粒堆积影响了混凝土的微观结构。

图6 混凝土28 天龄期的抗弯强度

3.3 碱硅酸反应

碱硅酸反应可以确定补充胶凝材料与骨料之间的适配性。碱硅酸反应试验结果见图7，S1在第14 天和第28 天膨胀率最低，分别为0.037%和0.058%。砂浆棒的膨胀率随着纳米玻璃粉含量的增加而增大，但最大膨胀率为0.079%。根据《水工砼试验规程》中“骨料碱活性检验(砂浆长度法)”给出的参考，碱硅酸反应在第14 天的膨胀率应小于0.1%。因此，S2和S3的膨胀率仍小于阈值。