邓芳芳
摘 要:本文通过毛细水试验分析了纳米二氧化硅对石灰石粉混凝土毛细吸水性能的影响。结果表明,石灰石粉增加了水泥胶砂的毛细吸水系数,而纳米二氧化硅降低早期水泥-石灰石粉胶砂的毛细吸水系数而增大后期的吸水率,进而表明,石灰石粉增大水泥硬化浆体的毛细孔结构,而纳米二氧化硅改善7天水泥-石灰石粉硬化浆体毛细孔结构,但28天后改善效果有所减弱。
关键词:纳米二氧化硅 石灰石粉 毛细吸水 孔结构
中图分类号:TU528 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2018)05(a)-0066-03
随高性能混凝土的发展,矿物掺合料在水泥基材料中的作用日渐增强。传统矿物掺合料粉煤灰和矿粉的产量日益减少。石灰石粉作为矿物掺和合料加入到混凝土中具有经济、社会和环境效益[1]。研究表明石灰石粉能够促进C3S的早期水化[2],缩短混凝土的凝结时间[3]。提高混凝土的早期强度[4],增大砂浆的流动度[5]。然而文献[6]认为石灰石粉的掺入不利于混凝土抗氯离子渗透性能。水是影响混凝土耐久性的主要因素,一方面,水本身的渗透将引起材料性能的劣化,如水渗入混凝土中将导致混凝土的冻融或钙溶蚀破坏;另一方面,水是氯离子、硫酸根离子等侵蚀性介质进入材料内部的主要载体。在无荷载作用状态下,水主要通过毛细作用渗入混凝土内部,因此研究混凝土的毛细吸水对研究混凝土的防水性能有重要的意义。纳米二氧化硅可提高混凝土早期强度,改善混凝土的微观结构,使其结构更加密实均匀,并可提高其耐久性[7],因此通过纳米二氧化硅改善石灰石粉在混凝土中的应用具有较大研究价值。本文通过研究纳米二氧化硅對水泥-石灰石粉胶砂毛细吸水性能以探讨纳米二氧化硅对水泥-石灰石粉胶砂抗渗性能的影响,进而了解纳米二氧化硅对石灰石粉混凝土的影响。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
采用P·I 42.5的基准水泥与VK-SH30型纳米二氧化硅,水采用自来水。石灰石粉采用湖北荆门生产的比表面积为412m2/kg的石灰石粉,其碳酸钙含量达99%以上。
1.2 试验方法
按照表1所示试验配合比成型标准砂浆试件,标养24h后拆模置于标准养护条件下养护7d、28d,之后采用ISTA法测定毛细吸水性,试验温、湿度分别保持在20℃、70%。首先将试件烘干12h,冷却至室温后将其侧面涂石蜡做防水处理,称取质量m1后将其一端浸泡在距水面4~5mm深处,浸没至预定时间后,用湿抹布抹去表面明水,测定质量m2,吸水质量ΔW=m2-m1,每次操作控制在30s内。吸水时间分别控制为t=10,15,60,80,160,120min。吸水规律的计算公式如下:
式中:A为常数,ΔW为吸水质量,i为吸附速率,S为毛细吸水系数,Ar为截面积,t为浸水时间,φ0为水的密度。由不同时刻的ΔW,联立式(1)(2)得i关于t1/2的吸水率发展曲线,拟合曲线得毛细吸水系数S。
2 试验结果与分析
纳米二氧化硅对水泥-石灰石粉胶砂毛细吸水性能的影响分析如下。
图1(a)(b)分别为石灰石粉对胶砂7d、28d龄期毛细吸水速率的影响。图2(a)(b)分别为石灰石粉掺量为10%时,纳米二氧化硅对水泥-石灰石粉胶砂试件7d、28d龄期毛细吸水速率的影响。
由图1可以看出,随测试时间的增加,水泥-石灰石粉胶砂毛细吸水速率呈线性规律逐渐增加;在龄期为7d时的图1(b),刚开始测试的水泥-石灰石粉胶砂吸水速率在0.09mm左右基本不随石灰石粉掺量增加而变化,随着测试时间的增加,试样吸水速率增加,当石灰石粉掺量超过20%时,水泥-石灰石粉胶砂吸水速率迅速增大;在龄期为28d时的图1(b),除了开始测试的时间点的吸水速率,28d的水泥-石灰石粉胶砂吸水速率均比7d的要小,增长速率缓慢,石灰石粉的掺入同样增加了水泥胶砂的吸水速率,石灰石粉掺为20%时,水泥-石灰石粉胶砂吸水速率也明显增加。
由图2可以看出,随测试时间的增加,掺纳米二氧化硅的水泥-石灰石粉胶砂毛细吸水速率也呈线性增加;如图2(a)所示,纳米二氧化硅掺量小于3%时水泥-石灰石粉胶砂的吸水速率绝对值比掺10%石灰石粉胶砂的要小,当纳米二氧化硅掺量为5%时,胶砂吸水速率前期比掺10%石灰石粉胶砂的要小,但后期超过了空白样S0L10。当龄期为28d时,同样,除了开始测试时的时间点的吸水速率外,28d的水泥-石灰石粉胶砂吸水速率均比7d的要小,增长速率缓慢,此时,水泥-石灰石粉胶砂的毛细吸水速率随纳米二氧化硅用量增加而增大。
由毛细吸水率公式1线性拟合得到反映胶砂孔结构的毛细吸水系数S即图1和图2中曲线的斜率,图3和图4分别为水泥-石灰石粉胶砂和掺纳米二氧化硅的水泥-石灰石粉胶砂毛细吸水系数。由图3可知,无论是早期的7d还是后期的28d,石灰石粉均增加了水泥胶砂的毛细吸水系数。研究表明[8],胶砂毛细吸水速率反映其内部孔径分布,吸水系数越小,胶砂内部孔越小且联通的可能性也较小,从而说明石灰石粉增大了水泥胶砂的孔结构;另外研究也表明[4],孔径分布均匀且密封的胶砂胶砂力学性能和耐久性能较高,进而说明石灰石粉降低了水泥胶砂的性能。由图4可知,7d时随纳米二氧化硅增加水泥-石灰石粉胶砂的吸水系数先减小后增大,28d时随纳米二氧化硅增加吸水系数逐渐增大,由此可得:二氧化硅改善了早期7d水泥-石灰石粉胶砂的力学性能和耐久性能,但对后期28d后改善效果不再明显。
3 结语
随石灰石粉掺量增加,7d和28d水泥胶砂毛细吸水系数增大;随纳米二氧化硅掺量增加,7d的水泥-石灰石粉胶砂毛细吸水系数先减小后增大,而28d时胶砂毛细吸水系数一直增加;这表明,石灰石粉增大水泥硬化浆体的毛细孔结构,降低了水泥胶砂的力学性能和耐久性能,而纳米二氧化硅掺量少于3%时对7d水泥-石灰石粉胶砂性能具有改善作用,但28d后二氧化硅的改善作用大大减弱。
参考文献
[1] 李步新,陈峰.石灰石硅酸盐水泥力学性能研究[J].建筑材料学报,1998(2):186-191.
[2] 饶美娟,刘数华,方坤河,等.石灰石粉对水泥基材料水化动力学的影响[J].建筑材料学报,2009(6):734-736,741.
[3] Wang S, Cheng C, Lu L, et al. Effects of slag and limestone powder on the hydration and hardening process of alite-barium calcium sulphoaluminate cement[J].Construction & Building Materials,2012, 35(35):227-231.
[4] 刘数华,阎培渝.石灰石粉对水泥浆体填充效应和砂浆孔结构的影响[J].硅酸盐学报,2008(1):69-72,77.
[5] 刘数华,阎培渝.石灰石粉在复合胶凝材料中的水化性能[J].硅酸盐学报,2008(10):1401-1405.
[6] 肖佳,王永和,邓德华,等.粉煤灰-石灰石粉高强混凝土的Cl-扩散性能[J].建筑材料学报,2008(2):212-216.
[7] 陈荣升,叶青.掺纳米SiO2与掺硅粉的水泥硬化浆体的性能比较[J].混凝土,2002(1):7-10.
[8] 贺智敏,龙广成,谢友均,等.蒸养混凝土的毛细吸水特性研究[J].建筑材料学报,2012,15(2):190-195.