纳米材料对再生混凝土抗冻性能的影响

刘常涛

纳米材料对再生混凝土抗冻性能的影响

刘常涛

福州理工学院 建筑学院, 福建 福州 350000

本文制备了纳米再生混凝土样品并分析了冻融循环作用下样品的抗压强度、质量损失率和相对弹性模量等基本抗冻性能。结果表明：随着冻融循环次数的增大，再生混凝土的抗压强度和相对弹性模量逐渐降低，质量损失率先减小后增大；纳米材料可以有效提高再生混凝土的抗压强度和相对弹性模量、降低质量损失率，最佳纳米二氧化硅掺量为4%。

混凝土; 纳米材料; 抗冻性能

混凝土材料设计使用寿命一般为50 a，然而实际使用寿命往往达不到[1,2]。添加纳米材料可以有效提高混凝土的使用寿命[3,4]，其中纳米二氧化硅是一种常用的纳米材料，将其加入混凝土中可以有效提高混凝土的抗压强度、抗拉强度等力学特性[5-7]。而粉煤灰和建筑废弃物是主要的固体废弃物，占用土地污染环境[8,9]。因此，为了提高混凝土的抗冻性能，本文在混凝土中加入纳米二氧化硅，同时加入粉煤灰和再生粗骨料以消耗固体废弃料，降低环境污染。

1 试验准备

纳米材料再生混凝土的试验材料由胶凝材料、细骨料、粗骨料和搅拌水组成。其中，胶凝材料包括水泥、粉煤灰和纳米材料，化学成分如表1所示。

表 1 水泥、粉煤灰、纳米材料的化学成分

纳米材料再生混凝土的基本材料配比如表2所示。胶凝材料中纳米二氧化硅的掺量为2%、4%、6%和8%，粉煤灰掺量为30%；细骨料为河砂；粗骨料为天然粗骨料和再生粗骨料，其中再生粗骨料掺量为30%；水灰比为0.4。

表 2 材料配比

为了保证纳米再生混凝土中纳米二氧化硅在混凝土中均匀分布，采用如图1所示的搅拌模式：首先，将粗骨料和细骨料共同搅拌3 min；然后，加入30%胶凝材料搅拌3 min；接着，加入超声波分散8 min的含纳米二氧化硅的搅拌水搅拌3 min；最后，加入剩余70%胶凝材料搅拌3 min。

图 1 混凝土搅拌过程

当再生粗骨料掺量为30%时，不同纳米二氧化硅掺量条件下混凝土的坍落度变化曲线如图2所示。由图可知，不掺加纳米二氧化硅时，再生混凝土的坍落度为205 mm；随着纳米二氧化硅掺量的增大，再生混凝土的坍落度呈急剧减小的趋势；当纳米二氧化硅掺量为8%时，再生混凝土的坍落度仅为110 mm。原因在于，纳米二氧化硅具有很大的比表面积，与水泥浆进行拌合时会消耗大量的自由水，导致再生混凝土的流动性急剧降低，因此，纳米二氧化硅掺量越大，为保证混凝土的和易性，减水剂的掺量也应相应增大。

2 试验结果分析

2.1 抗压强度

不同纳米二氧化硅掺量条件下再生混凝土抗压强度随冻融循环次数的变化曲线如图3所示。由图可以看出，不同纳米二氧化硅掺量条件下再生混凝土的抗压强度均随着冻融循环次数的增加而逐渐减小；但掺加纳米二氧化硅后，相同冻融次数下再生混凝土抗压强度的下降幅度要明显小于基准再生混凝土。以冻融循环次数200为例，基准再生混凝土的抗压强度为28.4 MPa，比冻融前减小了14 MPa；而掺加纳米二氧化硅2%、4%、6%和8%时，再生混凝土抗压强度则分别为35.5MPa、38.4MPa、36.7 MPa、34.4 MPa，比冻融前减小了10.1 MPa，9.7 MPa，9.2 MPa和9.7 MPa。可见，纳米二氧化硅的加入不仅可以提高再生混凝土冻融前的抗压强度，而且可以减小再生混凝土在冻融后的抗压强度损伤。究其原因在于，一方面，纳米二氧化硅存在填充效应，可以提高再生混凝土的密实度，减小冻融循环过程中再生混凝土内部孔隙水的含量，进而降低再生混凝土的冻胀破坏压力；另一方面，纳米二氧化硅存在活性效应，可与水泥发生二次水化反应，生成硬度更大的C-S-H凝胶，提高再生混凝土的整体抗压能力。

图 2 混凝土的坍落度变化曲线

图 3 冻融循环作用下纳米再生混凝土的抗压强度

2.2 质量损失率

不同冻融循环次数下，纳米二氧化硅改性再生混凝土的质量损失率分布如图4a所示。不掺加纳米二氧化硅时，基准再生混凝土先是在冻融次数为50次时，因吸收冻融水量大于剥落量而导致质量增加，而后随着冻融次数增加，因剥落量逐渐增大而导致质量损失率也相应增大，至冻融次数为250次时，基准再生混凝土的质量损失率接近6%，达到有效工作的极限。而掺加纳米二氧化硅后，由于纳米二氧化硅的填充与活性效应，相同冻融次数下再生混凝土的质量损失率均明显下降，尤其是纳米二氧化硅掺量为4%时，纳米二氧化硅对再生混凝土的改性作用最好。当冻融循环次数为250次时，2%、4%、6%和8%纳米二氧化硅掺量的再生混凝土质量损失率比基准混凝土减小了31.6%、54.4%、47.4%和24.6%。

2.3 相对弹性模量

不同冻融循环次数下，纳米二氧化硅改性再生混凝土的相对弹性模量分布如图4b所示。由于冻融循环次数的增加，再生混凝土剥落量以及内部损伤都逐渐增大，导致再生混凝土的弹性模量也逐渐下降且下降速率越来越快；但相同冻融循环次数下，纳米二氧化硅改性再生混凝土的弹性模量要明显大于基准再生混凝土。以冻融循环次数为200次为例，2%、4%、6%和8%纳米二氧化硅掺量的再生混凝土相对弹性模量分别比基准混凝土提高了18.8%、27.7%、24.7%和13.2%。之所以出现这种变化的原因是，当纳米二氧化硅掺量小于4%时，纳米二氧化硅掺量越大，其填充和活性作用就越明显，越有助于提高再生混凝土的密实度和均匀性；而纳米二氧化硅掺量大于4%时，过量的纳米二氧化硅就容易出现团聚现象，导致混凝土内部缺陷增大，反而减弱再生混凝土的抗冻性能。由本文试验结果可知，4%纳米二氧化硅掺量对再生混凝土的抗冻性能改性最好。

(a) 质量损失率 Quality loss rate (b) 相对弹性模量 Relative elasticity modulus

3 结 论

（1）不同纳米二氧化硅掺量条件下再生混凝土的抗压强度均随着冻融循环次数的增加而逐渐减小；但掺加纳米二氧化硅后，相同冻融次数下再生混凝土抗压强度的下降幅度要明显小于基准再生混凝土；

（2）纳米材料再生混凝土的质量损失率随冻融循环次数的增加出现了先减小后增大的现象；而相对弹性模量随冻融循环次数的增大而减小；

（3）相同冻融次数下，相对基准再生混凝土，纳米二氧化硅改性再生混凝土的质量损失率明显下降而相对弹性模量明显提高；其中，4%纳米二氧化硅掺量对再生混凝土的抗冻性能改性最好。

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The Effect of Nanomaterials on Anti-frost Performance of Recycled Concrete

LIU Chang-tao

350000,

The samples of the nanometer recycled concrete were prepared and analyzed the compressive strength, mass loss rate and relative elasticity modulus etc under the action of freeze-thaw cycle. The results showed that with the increase of freeze-thaw cycles, the compressive strength and relative elastic modulus of recycled concrete decreased gradually, the mass loss rate decreased and then increased. Nanomaterials could effectively improve the compressive strength and relative elastic modulus of recycled concrete, and reduced the mass loss rate. The optimum content of nano silica was 4%.

Concrete; Nanomaterials; anti-frost performance

TU528.01

A

1000-2324(2019)04-0601-03

2018-06-20

2018-07-04

2017年福建省教育厅中青年教师科研项目(JAT170787);福建省本科高校教育教学改革研究项目(FBJG20190119)

刘常涛(1984-),男,硕士,讲师,主要研究方向为土木工程. E-mail:82021587@qq.com