納米SiO2改性水泥混凝土抗鹽凍性能研究

孫琳

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510507)

水泥混凝土由于其較高的承載能力及安全舒適等特點成為國內外應用最廣的路用材料，然而其具有低抗彎拉強度、高剛度及高脆性等不足，使其服役期間經常出現斷裂等破壞，嚴重影響其使用功能及服役壽命。近年來納米材料應用越來越廣，逐漸被廣大道路研究者應用于道路材料中。納米SiO2由于其物理填充作用、優越的穩定性、補強性及更為徹底的火山灰效應，國內外眾多學者對其在混凝土結構中的應用情況展開了大量研究。

納米SiO2應用于混凝土中其微觀結構、水化性能、力學性能均有明顯的提高。納米SiO2可以促進混凝土水化，并在水化早期與Ca(OH)2迅速發生二次水化反應，生成更為穩定的C-S-H凝膠，且在摻量為0.25%～3%時其誘導水化反應進程速度更快。Salkhordeh等及Hosseini等均發現納米SiO2的摻入可極大提高混凝土的抗壓強度,10%摻量水平可提升約64.86%的混凝土28 d抗壓強度。同時納米SiO2對混凝土的抗彎拉強度及疲勞壽命亦有大幅度提升，李朋飛等研究發現，0.75%摻量水平下，其改性混凝土抗彎拉強度可提升7.4%以上，同時在0.75、0.80、0.85的應力水平下，混凝土疲勞壽命可分別提升48.4%、48.6%、68.6%。此外，徐晶等采用納米壓痕技術對納米SiO2改性混凝土界面過渡區(ITZ)進行表征，并建立了分析模型，結果發現，納米SiO2由于其自身的物理填充作用及火山灰效應產物，極大填充了混凝土內部微孔，并主要提高了ITZ的力學強度，可提高60%ITZ與漿體之間的模量，明顯改善ITZ的微觀結構。

納米SiO2改性混凝土具有更好的微觀結構、水化性能、力學性能，然而水泥混凝土路面服役過程中往往由于溫度、水分、鹽離子等影響而受到凍融破壞，因此，納米SiO2改性混凝土能否具有良好的應用前景，其抗鹽凍融循環性能至關重要，目前，國內外學者對此研究尚且不足?；诖?，該文將以單位面積剝蝕量及相對動彈模量為評價指標對納米SiO2改性混凝土進行抗鹽凍試驗，同時利用三點彎曲試驗，并以斷裂韌度及斷裂能為參數，評價其經受鹽凍循環后的性能損失，最后以試驗結果建立鹽凍融循環損傷回歸方程。研究結果將對納米SiO2改性混凝土實際工程的施工及凍融損傷預測提供依據。

1 試驗

1.1 原材料

試驗采用P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能如表1所示；粗集料采用粒徑為4.75～9 mm及9.5～19 mm的反擊破花崗巖碎石，表觀密度為2.71 g/cm3，其最大堆積密度時混合比例為1∶4；細集料為細度模數為2.70的河砂，含泥量為0.62%，表觀密度為2.63 g/cm3；減水劑為JB-ZSC型聚羧酸高性能減水劑，減水率為26%，含氣量為3.1%。納米SiO2(NS)采用固體粉末狀，參數指標如表2所示。

1.2 配合比設計

試驗中以基準水膠比W/B=0.31的C40混凝土為載體，新拌混凝土坍落度在36～44 mm范圍內波動，滿足JTG F30-2003《公路水泥混凝土路面施工技術規范》中25～50 mm的要求，其7、28 d抗彎拉強度分別為5.43、6.52 MPa，28 d抗壓強度為49.72 MPa，試驗中納米SiO2摻量為水泥質量的0.5%(2#)、1.0%(3#)、1.5%(4#)、2.0%(5#)、2.5%(6#)。具體配合比如表3所示。

表2 納米SiO2參數指標

表3 混凝土配合比

1.3 試驗設計

根據表3配合比制作100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件，借鑒美國ASTM C672-2003規范中的凍融循環升降溫制度(慢凍法)采用整體受凍方法對納米SiO2改性混凝土進行抗鹽凍試驗，并根據GBJ 82-85《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》以單位面積剝蝕量、相對動彈模量及斷裂特征參數為評價指標。

試件成型并標準養護24 d后，在4%的NaCl溶液中浸泡至28 d，開始進行試件初始質量、動彈模量及斷裂特征參數測試，然后對試件進行凍融循環，以(-17±2.8) ℃的低溫試驗箱內凍結16～18 h及常溫(23±1.7) ℃中融化6～8 h為一次循環，每10次凍融循環后測試試件質量、動彈模量及斷裂特征參數。

研究以斷裂韌度及斷裂能為斷裂特征參數，采用MTS-810萬能試驗機進行三點彎曲試驗測試斷裂性能，加載速度為0.02 mm/min，并在測試前于試件跨中底部預制1 cm深、1～2 mm寬的裂縫，以保證加載過程中裂紋朝同一方向擴展，同時利用高精度夾式引伸計獲得試件的F-CMOD(裂縫開口位移曲線)，并通過計算確定混凝土的斷裂韌度KIC及斷裂能Gf。

2 結果與分析

2.1 單位剝蝕量及相對動彈模量

圖1為鹽凍融循環后納米SiO2改性混凝土單位面積剝蝕量及相對動彈模量測試結果。

由圖1可見：在鹽凍融循環條件下，納米SiO2的摻入，使得混凝土單位面積剝蝕量有了明顯的降低，在凍融循環次數較少時，納米SiO2改性混凝土未顯示出較優的抗凍性能，其單位面積剝蝕量與基準組混凝土大致相近，然而隨著凍融循環次數的增加，摻入納米SiO2組混凝土表現出優良的抗凍性能，其單位面積剝蝕量較未摻加組混凝土顯著減小，同時，納米SiO2摻量的增加對混凝土單位面積剝蝕量的影響并不顯著，其降低效果僅隨著摻量的增加有稍許的提高，并在摻量高于2.0%后有些許下降。經歷40次鹽凍融循環后，2.0%摻量下4#組混凝土單位面積剝蝕量降低效果最顯著，較基準組減少近70%。60次鹽凍融循環后，2#～6#組納米SiO2改性混凝土單位面積剝蝕量分別比基準組低37.5%、39.86%%、45.5%、49.4%、47.6%。由相對動彈模量測試結果可見：納米SiO2對鹽凍融后混凝土的相對動彈模量亦有較大提升，隨著鹽凍融次數的增加，納米SiO2對其改善效果越顯著，且隨著納米SiO2摻量的增加，其提升效果表現出先增大后減少的現象。60次鹽凍融循環后，2.0%納米SiO2摻量下，其改性混凝土相對動彈模量可較基準組混凝土提高24.2%，而2.5%納米SiO2摻量僅可提升21.8%。

圖1 納米SiO2改性混凝土抗鹽凍性能試驗結果

納米SiO2摻入后，在混凝土內部參與水化反應，并與Ca(OH)2反應，可增大C-S-H凝膠含量，增加混凝土結構致密性，減少混凝土內部孔隙數量，從而切斷外界水分進入混凝土內部的通道，進而對混凝土抗鹽凍融循環能力有明顯提升作用。

2.2 斷裂韌性損失率

借鑒美國ASTM規范，利用混凝土F-CMOD曲線進行斷裂韌度計算，如式(1)、(2)所示。其中30次鹽凍融循環后納米SiO2改性混凝土F-CMOD曲線如圖2所示。納米SiO2改性混凝土20、30次鹽凍融循環后斷裂韌度損失率如圖3所示。

(1)

(2)

式中：KIC為斷裂韌度(MPa·m1/2)；Fmax為試驗最大荷載(N)；S為試件的跨度(mm)；h為試件高度(mm)；t為試件寬度(mm)；a為預裂縫深度(mm)。

圖2 30次鹽凍融循環后納米SiO2改性

圖3 納米SiO2改性混凝土斷裂韌度損失率

由圖2、3可知：納米SiO2可參與混凝土內部水化，提高其水化程度，從而改善混凝土抗裂性能，減緩混凝土開裂進程，并增大混凝土斷裂時的最大撓度。因此，納米SiO2可明顯提高混凝土凍融循環后的斷裂極限荷載，且其改善效果存在最佳摻量值。30次鹽凍融循環后，2.0%摻量水平下其改性混凝土斷裂極限荷載最大可提升將近1倍，同時1.5%摻量水平下納米SiO2可有效延緩混凝土的開裂時間。此外，在20次及30次鹽凍融循環條件下，摻入納米SiO2后，混凝土的斷裂韌度損失率均明顯降低，且隨著摻量的增加，其改性混凝土斷裂韌度損失率表現出先降低后有所增大的趨勢，在20、30次鹽凍融循環下，2.0%納米SiO2摻量組斷裂韌度損失率較基準組可分別減小27.4%、29.5%?？傮w來說，納米SiO2對混凝土孔結構的細化等改善作用，可有效減少外界離子進入混凝土內部，從而降低混凝土所受侵蝕，同時納米SiO2對混凝土內部界面過渡區的增強，可減少凍融微裂紋的產生，因此，納米SiO2可顯著提高混凝土鹽凍融循環后的斷裂韌度損失率。

2.3 斷裂能衰減

斷裂能是指試件從承受荷載作用開始直至斷裂時，外力對試件單位面積物體所做的功，其計算公式如式(3)所示。納米SiO2改性混凝土經受鹽凍融循環后的斷裂能損失率如圖4所示。

圖4 納米SiO2改性混凝土斷裂能損失率

(3)

式中：Gf為斷裂能(N/m)；W0為荷載-位移曲線所圍面積(N·mm)；m為支座間試件的質量(kg)；g為重力加速度，取9.8 m/s2；δ0為跨中最大位移(mm)；Alig為韌帶面積(mm2)；a0為試件預裂縫深度(mm)；b為試件寬度(mm)；h為試件高度(mm)。

由圖4可知:除20次鹽凍融循環條件下0.5%、2.5%摻量外，納米SiO2改性混凝土經受鹽凍融循環后的斷裂能損失率均明顯低于基準組混凝土，且呈現出隨著摻量的增加先減小后增大的趨勢。20次鹽凍融循環條件下，1.5%摻量水平下，納米SiO2改性混凝土斷裂能損失率僅為24.7%，較基準組減少6.2%；30次鹽凍融循環條件下，2.0%摻量水平下，納米SiO2改性混凝土斷裂能損失率僅為35.1%，較基準組減少10.9%。因此可見，納米SiO2對混凝土經受鹽凍融循環后斷裂能損失率的改善作用存在最佳摻量，且最佳摻量為1.5%～2.0%。分析原因為基準組混凝土中的水泥石-骨料界面過渡區普遍存在Ca(OH)2板狀晶體富集、定向排列的現象，該區域材料水膠比較高且孔隙較多，在承受荷載時裂縫常沿著界面過渡區迅速擴展。當摻入納米SiO2后，納米SiO2與Ca(OH)2反應，降低Ca(OH)2晶體的存在數量，避免Ca(OH)2晶體定向排列，并增加水化產物C-S-H凝膠體的生成數量，使界面過渡區結構更加密實堅固，從而增大凍后斷裂能并減小凍后斷裂能損失率。

2.4 鹽凍融損傷回歸方程

為確立納米SiO2改性混凝土抗鹽凍性能影響因素與各項評價指標(單位面積剝蝕量Qs、相對動彈模量P、斷裂韌度損失率DKIC以及斷裂能損失率DGf)之間的定量關系，在前述抗鹽凍性能試驗結果的基礎上，采用多元回歸分析方法，以納米SiO2摻量M及凍融次數N為自變量，建立W/B=0.31時納米SiO2改性混凝土鹽凍融損傷回歸方程，從而為其耐久性設計奠定理論基礎。

采用Origin數據分析軟件將M和N兩因素對路面混凝土Qs、P、DKIC以及DGf的影響進行多元回歸分析，分別得到式(4)～(7)中的鹽凍融損傷回歸方程，相應回歸統計結果如表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中抗鹽凍指標Qs、P、DKIC、DGf對應的F值分別為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)回歸方程的相關系數R2均大于0.850，說明在W/B=0.31時，納米SiO2改性混凝土單位面積剝蝕量、相對動彈模量、斷裂韌度損失率以及斷裂能損失率與其摻量、凍融次數之間存在較為顯著的數學關系，式(4)～(7)能夠較精確地對納米SiO2改性混凝土的抗鹽凍性能進行預測。

3 結論

(1) 納米SiO2的摻入可促進水化反應，有效改善混凝土內部孔結構，其改性混凝土表現出優良的抗鹽凍性能，且隨著納米SiO2摻量的增加表現出先增大后減小的趨勢。納米SiO2改性混凝土經受鹽凍融循環后單位面積剝蝕量較基準組最大可減少70%左右，相對動彈模量較基準組可提高24.2%。

(2) 納米SiO2對混凝土孔結構的細化及對混凝土內部界面過渡區的增強等改善作用，可減少混凝土鹽凍融后微裂紋的產生，30次鹽凍融循環后，2.0%摻量水平下其改性混凝土斷裂極限荷載最大可提升將近1倍，可顯著提高混凝土鹽凍融循環后的斷裂韌度損失率，最大可提升29.5%。

表4 回歸統計結果

(3) 納米SiO2與Ca(OH)2反應，增加水化產物C-S-H凝膠體的生成數量，使界面過渡區結構更加密實堅固，從而增大凍后斷裂能并減小凍后斷裂能損失率，且納米SiO2存在最佳摻量范圍。

(4)W/B=0.31時，納米SiO2改性混凝土單位面積剝蝕量、相對動彈模量、斷裂韌度損失率以及斷裂能損失率與其摻量、凍融次數之間存在較為顯著的數學關系，能夠較精確地對納米SiO2改性混凝土的抗鹽凍性能進行預測。