纳米粒子和钢纤维增强混凝土抗碳化和抗渗性能

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纳米粒子和钢纤维增强混凝土抗碳化和抗渗性能

张 鹏， 张凯旋， 付世东， 高继祥， 代小兵

(郑州大学 水利与环境学院， 河南 郑州 450001)

摘 要：为探明纳米粒子和钢纤维对混凝土抗碳化性能和抗渗性的影响，采用混凝土渗水高度试验法测得了抗渗试件在压力水作用下的渗水高度，并对试件进行了3，7，14 d，28 d碳化试验，测得了试件相应龄期的碳化深度。纳米粒子的掺量分别为1%，3%，5%，7%，9%，钢纤维体积掺量分别为0.5%，1%，1.5%，2%，2.5%。试验结果表明：纳米SiO2在一定掺量范围内可以提高混凝土的抗碳化性能，但过量就会对混凝土抗碳化性能产生不利影响；随着纳米SiO2掺量的增加，混凝土的抗渗透性能先增强后降低；掺入适量钢纤维可以提高纳米混凝土的抗碳化性能，但过量的钢纤维会降低纳米混凝土的抗碳化性能；掺入钢纤维会降低纳米混凝土的抗渗性能。

关键词：纳米SiO2； 钢纤维混凝土； 渗水高度； 碳化深度

混凝土是当今用量最广泛的建筑材料，在建筑工程中扮演着重要的角色。然而混凝土构筑物在使用过程中，受温度、水、大气等自然条件的反复作用易产生病害，对结构耐久性的影响是最为普遍的。根据欧盟委员会定义，纳米材料基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1～100 nm之间，并且这一基本颗粒的总数占材料颗粒总数50%以上[1]。纳米级SiO2借助小粒径优势能填充更细小的空隙，在掺入到混凝土后它的活性又远大于粉煤灰和普通硅灰。在水泥中加入适量的纳米材料，可显著改善混凝土力学性能和耐久性。混凝土是一种脆性材料，极易产生开裂，并引发多种缺陷。为解决这一问题，可考虑将分散性较好的高韧性钢纤维添加到混凝土中，形成纤维增强混凝土。纤维均匀乱向地分散在混凝土中，对混凝土的微观结构有明显的改善作用[2]。作为一种新型复合材料，诸多研究者对纳米粒子和钢纤维增强混凝土的力学性能开展了大量研究，但缺乏对其耐久性能相关的研究资料。由此，有必要开展试验揭示纳米粒子和钢纤维对混凝土耐久性能的影响。

1 试验概况

1.1 试验材料

粉煤灰采用洛阳电厂生产的一级粉煤灰，密度为2.1 g/cm3，细度为9.22%(45 μm方孔筛余)；水泥为新乡孟电水泥厂生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料采用的碎石最大粒径为20 mm；细骨料采用的河砂细度模数为2.6；纳米SiO2为杭州万景新材料有限公司生产的纳米SiO2，比表面积为200 m2/g，表观密度为55 g/L，平均粒径为30 nm；钢纤维采用郑州禹建钢纤维有限责任公司生产的抗拉强度达800 MPa的铣销型钢纤维,长32 mm，等效直径0.56 mm，长径比57.1；减水剂采用广东星辰化工有限公司生产减水率高达14%的高效减水剂。

1.2 混凝土配合比

混凝土配合比见表1，基准配合比强度为C40。纳米SiO2等量取代水泥，钢纤维掺量为体积掺量，采用外掺法掺入混凝土。试验编号3-0表示纳米SiO2的质量掺量为试验编号0-0中水泥和粉煤灰总质量的3%，钢纤维的体积掺量为0；5-1.5表示纳米SiO2的质量掺量为5%，钢纤维的体积掺量为1.5%。

1.3 试件的制备及试验方法

试验所用的混凝土试件按照《钢纤维混凝土试验方法》[3]的规定制备，其中碳化试验采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，抗渗试验试件采用尺寸为上口径175 mm、下口径185 mm、高150 mm的圆台。具体试验内容与安排见表2。混凝土搅拌采用强制式搅拌机。先将搅拌机打湿，再加入粗、细骨料干拌30 s，接着加入水泥、粉煤灰和纳米SiO2的混合物，搅拌30 s。然后均匀撒入钢纤维，搅拌 30 s，最后加入掺有减水剂的水，搅拌1 min出料。

表1 每m3混凝土中各种材料用量

试验编号水/kg水泥/kg砂/kg碎石/kg粉煤灰/kg纳米SiO2掺量/%钢纤维掺量/%减水剂/kg0-0158461.89647115181.51005.981-0158456.46647115181.51105.983-0158445.59647115181.51305.985-0158434.72647115181.51505.987-0158423.85647115181.51705.989-0158412.98647115181.51905.985-0.5158434.72647115181.5150.55.985-1158434.72647115181.5151.05.985-1.5158434.72647115181.5151.55.985-2158434.72647115181.5152.05.985-2.5158434.72647115181.5152.55.98

碳化试验以三个试件为一组，在标准养护室养护26 d后再将试件放入到干燥箱中，在60 ℃温度下烘48 h，然后将试件除相对的两个侧面外全部用石蜡密封，在未蜡封的两个侧面上以10 mm 间距画出平行线，作为碳化深度的测量点。

抗渗试验采用JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[4]所推荐的的渗水高度法开展。具体试验步骤为：将水压设置为1.2 MPa并恒定加压24 h，之后停止加压。劈开试件后在断面处取十个均分点并测量各点的渗水高度。将所有测点的算术平均值定为该试件的渗水高度，同时取6个试件渗水高度的算术平均值作为该组试件的平均渗水高度。

表2 具体试验内容

试验项目试验时长/d试件个数试件尺寸/mm试件总数碳化试验33100×100×10033碳化试验73100×100×10033碳化试验143100×100×10033碳化试验283100×100×10033抗渗试验286175×185×15066

2 试验结果及分析

2.1 纳米SiO2和钢纤维对混凝土抗碳化性能的影响

2.1.1 试验结果

根据本文设计的试验所得结果，纳米SiO2和钢纤维对混凝土抗碳化性能的影响分别如图1、2和表3、4所示。

图1 纳米SiO2掺量对混凝土碳化深度的影响

图2 钢纤维掺量对纳米混凝土碳化深度的影响

由图1和表3可以看出，各碳化龄期混凝土的碳化深度随着纳米SiO2掺量的增加先减小后逐渐增大，当纳米SiO2的掺量达到7%时，混凝土碳化深度达到最小值。以28 d碳化龄期为例，当纳米SiO2掺量为7%时，混凝土的碳化深度相比于基准混凝土减小22.7%。继续增大纳米SiO2掺量，混凝土的碳化深度逐渐增大：掺量为9%的混凝土碳化深度比掺量为7%时增加了30.9%，比基准混凝土的碳化深度大1.2%。

表3 纳米SiO2掺量变化时混凝土碳化深度结果

试验编号碳化深度/mm3d7d14d28d0-02.324.835.428.811-02.033.453.907.803-01.923.814.047.435-01.872.263.127.207-01.582.023.586.819-04.705.736.018.90

表4 钢纤维掺量变化时纳米混凝土碳化深度结果

试验编号碳化深度/mm3d7d14d28d5-01.852.243.127.275-0.51.712.042.877.065-1.01.491.882.596.625-1.51.261.672.266.155-2.01.571.923.216.905-2.52.353.115.158.26

由图2、表4可以看出，在本文试验钢纤维掺量范围内，随着钢纤维体积掺量的增加，纳米SiO2混凝土的碳化深度呈现先减小后增大趋势。以28 d碳化龄期为例，钢纤维体积掺量为1.5%的纳米混凝土碳化深度为6.15 mm达到最小值，比基准混凝土碳化深度减小了15.4%，随着钢纤维掺量继续增加，混凝土的碳化深度又逐渐增大，钢纤维掺量2.5%的混凝土碳化深度比掺量为1.5%时增大了34.3%，比基准混凝土增大了13.6%。

2.1.2 机理分析

普通水泥主要由2CaO·SiO2、3CaO·SiO2、3CaO·Al2O3、4CaO·Al2O3·Fe2O3四种矿物组成，占水泥总量90%以上。加水拌合后，矿物与水发生反应生成新的物质，其反应过程如下[5]：

2(3CaO·SiO2)+ 6 H2O =

3CaO·2SiO2·3H2O + 3Ca(OH)2

2(2CaO·SiO2)+ 4 H2O =

3CaO·SiO2·3H2O + Ca(OH)2

3CaO·Al2O3 + 6 H2O = 3CaO·Al2O3·6 H2O

普通水泥发生水化反应生成Ca(OH)2，Ca(OH)2会对混凝土的力学性能和耐久性产生不利影响，纳米SiO2的掺入能够消耗水泥浆体中的Ca(OH)2，使得“二次水化”反应能生成C-S-H凝胶。C-S-H凝胶能充分填充混凝土内部孔隙，继而增加混凝土密实度[5]。纳米SiO2在提高混凝土抗碳化性能方面存在一个临界值，即纳米粒子最优掺量。当纳米SiO2的掺量超过最优掺量时，混凝土抗碳化性能有所下降；当纳米 SiO2掺量超过最优掺量时，纳米SiO2不能充分分散，团聚的纳米 SiO2失水后收缩，增大了混凝土孔隙率。因此过大掺量的纳米SiO2对混凝土密实性有不利影响，内部孔隙的增加也使 CO2更容易进入混凝土内部从而增大混凝土碳化深度。

混凝土试件在浇筑后，由于自由水蒸发以及化学收缩等原因，导致水泥石中产生了很多孔隙。大量孔隙的存在为 CO2进一步深入和扩散提供了便利条件，导致混凝土碳化。在试件中掺入钢纤维能够有效地阻塞CO2侵入渠道, 也就是增加了CO2的侵入阻力，最终成功地减缓混凝土碳化速度[6]。因此，钢纤维能够成功地延缓混凝土碳化的原因，并不是它能够直接影响混凝土的碳化速度，而是通过改善混凝土的微观结构从而增加其密实性[6]，最终达到目的。但钢纤维体积率过大时容易导致混凝土基体内微裂纹增多，大量微裂纹的存在为CO2渗透到混凝土内部提供了新的通道，因而钢纤维掺量过大时，会降低纳米混凝土的抗碳化性能。

2.2 纳米SiO2和钢纤维对混凝土抗渗性能的影响

2.2.1 试验结果

混凝土抗渗试验的龄期为28 d。在试验龄期达到27 d时，从养护室取出试件，擦拭干净且表面晾干后，用石蜡密封。待试件安装好后，启动抗渗仪进行测试。测得纳米SiO2和钢纤维对混凝土抗渗性能的影响分别如图3、4所示。

图3 纳米SiO2对混凝土抗渗性能影响

图4 钢纤维对纳米混凝土抗渗性能影响

由图3可以看出，纳米SiO2在一定掺量范围内可以提高混凝土的抗渗性能，纳米SiO2的掺量从0增加到5%，混凝土的抗渗性能显著提高，纳米SiO2掺量为5%的混凝土比未掺纳米SiO2的混凝土渗水高度降低了55.6%，纳米SiO2的掺量大于5%时，混凝土的抗渗性能逐渐降低。

由图4可以看出在纳米SiO2混凝土中掺入钢纤维对混凝土的抗渗性有不利影响，混凝土的渗水高度随着钢纤维体积掺量的增加而逐渐增大：当体积掺量小于1.5%时渗水高度增加不明显；当钢纤维体积掺量大于1.5%后渗水高度显著增大。根据实验所得数据，钢纤维体积掺量为2.5%的混凝土比未掺钢纤维的基准混凝土渗水高度增加了132.3%。

2.2.2 机理分析

水泥颗粒间的空隙可以由较小粒径的纳米SiO2(30 nm)填充，这样能显著提高混凝土密实度[7]；同时由纳米SiO2与 Ca(OH)2(水泥水化作用产生)反应(即“二次水化”作用)生成的水化硅酸钙凝胶体，能够填充水泥石孔隙、改善混凝土微孔结构、堵塞混凝土中的渗透通道，从而增强了混凝土抗渗能力[8]。

根据材料的力学性能可知，钢纤维比混凝土的弹性模量大，因此钢纤维的掺入能够增加混凝土的抗拉强度，进而有效地抑制初期收缩裂缝的形成和发展、降低混凝土的孔隙率，这也是目前大部分研究者认为掺入适量的钢纤维可以提高混凝土的抗渗性能的原因[9]。同时，掺入的钢纤维通过大量占用水泥浆的方式降低了混凝土的流动性，从而导致混凝土的孔隙率增加、密实性下降[10]。钢纤维的掺入使得纳米混凝土抗渗性能下降，这说明试验的主导因素是钢纤维的不利作用。一定量的水泥浆包裹钢纤维和骨料后的界面和只包裹骨料的界面相比更薄更弱，所以自然更容易形成微小裂缝，这样就大大提高了混凝土的渗透性[10]。

3 结 论

纳米SiO2可以提高混凝土的抗碳化性能和抗渗性能，当掺量为7%时混凝土的抗碳化性能最佳，当掺量为5%时混凝土的抗渗性能最佳；钢纤维掺加到纳米混凝土中，在一定掺量范围内可以提高混凝土的抗碳化性能，钢纤维体积掺量为1.5%时，其抗碳化性能提高幅度最大；钢纤维的掺入增大了纳米混凝土的渗水高度，降低了纳米混凝土的抗渗性能。

参考文献：

[1] 郭玉婷, 葛广路. 纳米材料的欧盟定义及安全性评估[J]. 中国个体防护装备, 2012, (2): 41-45.

[2] 李 晗, 高丹盈, 赵 军. 纤维纳米混凝土力学性能和抗氯离子渗透性能的研究[J]. 华北水利水电学院学报, 2012, 33(6): 39-45.

[3] CECS 13-2009, 钢纤维混凝土试验方法[S].

[4] JTG E30-2005, 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].

[5] 黄 振. 纳米混凝土力学性能及耐久性能研究[D]. 沈阳: 沈阳大学, 2016.

[6] 郭艳华, 潘慧敏, 李志业. 钢纤维混凝土碳化性能的研究[J]. 混凝土, 2007, (2): 45-47.

[7] 汪 鹏. 纳米高性能混凝土断裂性能试验研究[D]. 郑州: 郑州大学, 2012.

[8] 黄承逵. 纤维混凝土结构[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.

[9] 黄功学, 谢晓鹏. 纳米SiO2对水工混凝土耐久性影响试验研究[J]. 人民黄河, 2011, 33(7): 138-140.

[10]宋闻辉. 钢纤维轻骨料混凝土抗渗和抗冻性能试验研究[D]. 郑州: 华北水利水电大学, 2014.

Carbonation Resistance and Anti-permeability of Nano-particles and Steel Fiber Reinforced Concrete

ZHANG Peng, ZHANG Kai-xuan, FU Shi-dong, GAO Ji-xiang, DAI Xiao-bing

(School of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract：The water penetration heights of the specimens were measured using water penetration height test method, and the carbonation depths of the specimens for different curing periods (1 day, 7 days, 14 days, 28 days) were measured by carbonization tests to explore the effect of nano-particles and steel fibers on the carbonation resistance and anti-permeability of concrete. Five different contents of nano-particles (1%, 3%, 5%, 7%, 9%) and five different volume dosages of steel fiber (0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%) were adopted. The results show that the carbonation resistance of concrete can be improved by the addition of nano-SiO2 with the appropriate content. However, the excess of nano-particles will have adverse impacts on the carbonation resistance of concrete. With the increase of nano-SiO2, the anti-permeability of concrete is enhanced first and then decreased. Addition of proper amount of steel fibers can improve the carbonization resistance of concrete containing nano-particles, however excessive steel fibers will reduce the carbonization resistance of the specimens. Besides, the addition of steel fiber will reduce the anti-permeability of concrete containing nano-particles.

Key words：nano-SiO2； steel fiber reinforced concrete； water penetration height； depth of carbonation

收稿日期：2016-07-05

修回日期：2016-12-30

作者简介：张 鹏(1978-)，男，河南方城人，副教授，博士，研究方向为新型水泥基复合材料(Email: [e-mail])

基金项目：河南省高校科技创新人才计划项目(16HASTIT012)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A560005)；郑州大学优秀青年教师发展基金项目(1421323079)

中图分类号：TU528.572

文献标识码：A

文章编号：2095-0985(2017)02-0073-04