纳米材料对超高性能混凝土强度的影响

李起典 江森利 颜成华 杨娱乐

（连云港市天豪基础工程有限公司， 江苏 连云港 222000）

0 前言

分析和研究了超高性能混凝土材料动态力学特性受纳米材料含量和种类的影响。超高性能混凝土不但具有高韧性和超高的强度，而且耐久性能也比较高，无论在石油和土木以及核电，还是海洋和市政等相关的设施中，应用前景都非常广阔，许多学者也在对期进行分析和研究[1]。二十世纪 70年代初，在岩石和混凝土材料等动态力性能上，已经开始应用试验分离子Hopkinson压杆的装置。从当前来看，国内外已经广泛应用分离子Hopkinson压杆。

1 超高性能混凝土实验

1.1 原材料和性能

普通硅酸盐水泥P·O52.5级；10～20目石英砂，0.9～2毫米的粒径范围；灰白色硅灰粉末，88纳米的平均粒径，比表面积为每克18.5×104平方厘米；325目密度为每平方厘米2.626克；白色的纳米CaCO3粉末,60纳米的平均料径；I级灰色粉末的粉煤灰，白色纳米SiO2絮状物，平均10纳米粒径；FOX-8HP型聚羧减水剂为高效减水剂，粉末为粉红色，掺量适宜1.5%，减水率＞30%。

1.2 实验制备和养护以及实验方法

1 试样基准的配合比

水泥1.0、石英粉0.2、研英砂1.1、粉煤灰0.1、硅灰0.2、水胶比0.16

和减水剂1.5%。

2 搅拌成型

将称量好的硅灰和石英砂接照配合比混合以后，倒进搅拌水泥胶砂的锅内，

搅拌5分钟，再将粉煤灰和水泥以及纳米和石英粉材料加入，搅拌5分钟；将溶有一半用水量的减水剂加入其中，进行 3分钟搅拌；再将另一半的用水量倒进进行搅拌6分钟；浇模成型，在40×40×160毫米的三联联模中，浇注拌合物，将其在振动台上振动成型，振动的频率通常为50赫兹[2]。

3 养护

成型以后，把试件移到（20±2）℃养护室进行24小时的养护再拆模，

各个试件都要分别进行，（20±2）℃～龄期为标准养护；标准养护48小时养护在90℃热水中，取出～规定龄期为热水养护。

4 实验

有效运用跳桌法，根据《水泥胶砂流动度测定方法》GB2419-81来对拌合物的流动度进行测定；根据《水泥胶砂强度度检验方法》GB177-85来将试件抗折和抗压的强度进行测定[3]。

1.3 结果和分析

（一）纳米CaCO3影响UHPC的强度

实验A组将不同掺量NC影响的UHPC的强度进行了分析和研究，实验结果以及配合比，见表1所求。

表1 纳米CaCO3影响UHPC的强度

从表中可以看出，将纳米CaCO3掺入以后，下降了UHPC的流动性，但是，也提升了抗折和抗压的强度，与掺量4%效果进行比较，掺量3%更好一点，与28天标准养护强度相比较，7天标准养护强度增长的幅度要比较大一些，试件热水养护以后，抗折和抗压的强度，幅度都比试件标准养护高掺入NC量为3%、水胶0.16，热水养护48小时以后，标准养护～28小时抗压强度达到163.8MPa，抗折达到32.2，具有很显著的效果，原因就是水泥结构中加入NC，使C3S水化得到促进，将结构形式改变了，水泥石体系中，料粒子的粘合提升了，混凝土微观的结构改善了，从而使UHPC的强度得以有效地提升。

（二）纳米SiO2影响UHPC的强度

纳米 SiO2属于非晶体物质，在水泥材料中，与其他的矿物粉复合进行应用，可以将网络交织状骨架的结构形成，由致密的产物在骨架结构中间将二级界显微结构填充，致使水泥水化得以促进，从而使早期水泥砂浆强度得以提升。纳米SiO2既能够提升均匀性和致密性，又能够提升早期水泥浆体的强度，所以，将纳米SiO2掺入以后，不但能够将均匀性和致密性改善，而且，还能够将 UHPC微观结构改善，致使具有更好地填充颗粒效果和更密实的微观结构，从而使混凝土强度得以提升的目的得以实现。掺入不同量的NS，影响UHPC的强度也不同[4]。

（三）分析掺入纳米材料UHPC的微观形貌

运用扫描电子显微镜来显微结构观察超高性能混凝土，运用扫描电镜JSM-6700LV和扫描电镜FEIQuanta200FEG，以高真空模式对48小时热水养护以后～7天纳米材料掺入的UHPC样品微观的形貌。

将纳米CaCO3掺入热水养护以后，水泥石中C-S-H凝胶是主要的生成水化产物大量很小颗料状的NC呈现在表面上，这些NC颗粒通常在断裂面有一半露出，水泥浆体中嵌固了另一半，NC的表面效应与微集料比较明显，但是，浆体致密不怎么均匀，大孔隙很难看到，并且能够将片状的水化产物Ca(OH)2生成，但是比较少，也就是说加入NC，促进了水泥的水化，水泥水化反应的速度加快了，此外，热水养护的条件下，因为浆体水胶过低，所需要的大量的结晶水钙矾石没有形成。

从实验可以看出，纳米材料掺入以后，UHPC抗折强度＞20MPa，同时也加大了折压比，混凝土既明显提升了抗折强度，又有效地改善了界面，也提升了断裂韧性，从而增韧了纳米材料的效果[5]。

（四）养护制度影响UHPC

拌合和振捣混凝土密实成型以后，需要养护试件，为了能够顺利地水化胶凝材料，致使早期和后期都能够有较高的强度产生，必须要将合理养护的制度选择。通过研究了解到，针对于 UHPC养护条件具有很大的影响，UHPC组分中无论是粉煤灰和硅灰，还是纳米 SiO2等相关的火山灰集料，尤其石英粉活性的发挥，都需要在一定温度的作用条件下，石英粉在常温下很难充分发挥，只是填充的作用，因此，标准养护条件下，UHPC强度要比其热水养护条件下强度要低[6]。

2 总结

综上所述，在水泥基复合材料中，均匀地将纳米颗粒分散是很难做到的，掺入基体中以后，容易结团，致使提升UHPC强度在一定的程度上受到了限制，所以，将分散纳米粒子怎样进行改善，均匀地分散UHPC，能够很大程度地将混凝土强度有效地提升，必须要进一步地分析和研究。