不同胶凝材料对纳米凹凸棒混凝土耐久性能的影响

吉林省经济管理干部学院,吉林 长春 130000

目前，混凝土凭借其易生产、成本低、强度高等特点成为当今使用最广泛的材料，但其原材料生产将消耗大量的能源和资源，从而造成环境的污染[1]。为了减轻环境污染、降低资源消耗，利用硅粉、粉煤灰和矿粉等工业废渣等胶凝材料替代一部分水泥成为当今发展趋势。纳米凹凸棒材料凭借其量子效应、表面效应和小尺寸效应在材料和物理等领域取得了长足的发展和应用，同时也受到了水泥基材料领域的重视，作为一种新型矿物添加料取代部分水泥，通过改善水泥基材料的微观结构而调控其力学及耐久性能[2-4]。

目前，国内外针对纳米凹凸棒在水泥基材料中的力学及耐久性能进行了大量研究，沈文忠等[5]通过对纳米凹凸棒进行改性，研究了纳米凹凸棒对水泥砂浆强度和工作性能的影响，研究表明，纳米凹凸棒能改善水泥砂浆的保水性能，降低砂浆分层度，使砂浆的工作性能大大提高。刘竞[6]研究了纳米凹凸棒对引气型混凝土触变性能的影响。曲美燕等[7]研究了凹凸棒对水泥稳定碎石性能的影响。综上所述，不同胶凝材料对纳米凹凸棒混凝土耐久性能研究较少，有待进一步研究。

1 材料与方法

1.1 原材料

试验水泥采用沈阳山水工源水泥有限公司生产的的普通硅酸盐水泥PO·42.5R 级，粉煤灰采用沈阳忆利粉煤灰建材有限公司生产的II 级粉煤灰，硅粉采用鞍山鞍美国贸实业开发有限公司的微硅粉。纳米凹凸棒粘土由常州鼎邦矿产品科技有限公司生产，粗骨料采用5～20 mm 连续级配碎石，表观密度为2660 kg/m3，松散堆积密度为1420 kg/m3，细骨料选用天然中砂，细度模数2.5，表观密度2637 kg/m3，堆积密度1583 kg/m3。外加剂为辽阳科隆公司生产的SPC-100 高效减水剂，褐黄色液体，减水率35%，含固量40%。拌合水采用自来水。

1.2 试件制备和养护

为研究不同胶凝体系对纳米凹凸棒混凝土耐久性能的影响，试验采用水胶比为0.40 的混凝土，砂率为40%，并依次记为A、B、C、D 和E。试件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，每组3 个试件，试件成型24 h 拆模，然后放入养护箱内养护至测试龄期，测定不同胶凝材料对纳米凹凸棒混凝土抗压强度和氯离子渗透性能的影响。试件尺寸100 mm×100 mm×400 mm 的试块，每组3 个，试件成型24 h 后拆模，养护条件同测试混凝土抗压强度的养护条件，试件养护至28 d 后，将试件取出，放入干燥箱内烘干24 h，温度设置在80 ℃，经烘干处理后的试件，除去相对两个侧面或一个面外，其余表面采用环氧树脂进行密封处理，随后将密封处理后的试件放入CO2在20±3%，温度在20±3%℃，相对湿度在75±5%的碳化箱里进行碳化，分别测定7 d、14 d 和28 d 后的碳化深度。

试件制备按照我国现行标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30-2005）相关规定，其混凝土配合比见表1 所示。

表1 试件编号和配合比Table 1 Test piece number and mix proportion

1.3 试验方法

试件在不同龄期的抗压强度按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）进行测定，采用结构试验室的全自动压力试验机，产品型号WHY-300，测试精度为±1%，测试过程中加载速度控制在0.5 MPa/s。

混凝土碳化试验、抗氯离子渗透性能试验参照《普通混凝土长期性性能和耐久性试验方法》（GBT50082-2009）标准进行。采用北京三思生产的混凝土多功能氯离子耐久性测定仪测定氯离子的渗透性能，试验前将试件进行真空保水，真空饱水结束后，取出试件并清理干净，按照规范将试件放入试验装置内并检查密封性，检查完毕后，将质量浓度为3.0%的NaCl溶液和摩尔浓度为0.3 mol/L的NaOH溶液分别注入试件两侧的实验槽中进行电通量试验。

采用河北宇建试验仪器制造有限公司生产的碳化箱，按照规范设定CO2浓度和温、湿度进行碳化试验。将达到测试龄期的试件取出后，在压力试验机上按预定位置进行劈裂，然后选用浓度1%的酚酞试液对劈裂截面进行滴定，用刻度尺测定混凝土试件的碳化深度，每个侧边读取10个数值，取平均值作为每个试件的碳化深度。

2 结果与讨论

2.1 不同胶凝体系材料对纳米凹凸棒混凝土抗压强度的影响

对不同龄期，不同胶凝体系材料对纳米凹凸棒混凝土试件的抗压强度见表2所示，从表中可知，早龄期时，对比试件A的抗压强度明显高于单掺和双掺矿物掺和料的纳米凹凸棒混凝土，但随着测试龄期的增加，掺有矿物的纳米凹凸棒混凝土试件的抗压强度增长率要比对比试件的要快。尤其是单掺粉煤灰试件B组，与7 d抗压强度相比，其28 d抗压强度增长了60.70%，到测试龄期90 d时，单掺纳米凹凸棒混凝土试件B组和C组的抗压强度与对比试件A组的抗压强度相当，但双掺试件D组和E组的抗压强度相比对比试件A组略有增加，增加幅度不大。

表2 不同胶凝体系材料对纳米凹凸棒混凝土试件的抗压强度/MPaTable 2 The compressive strength of different cementitious materials on nano-attapulgite concrete specimens

2.2 不同胶凝体系材料对纳米凹凸棒混凝土氯离子渗透性能的影响

对不同龄期，不同胶凝材料体系的纳米凹凸棒混凝土进行了抗氯离子渗透性能的测定，其结果见图1和图2所示。根据图1和图2纳米凹凸棒混凝土试件的电通量，结合混凝土抗氯离子渗透性评价标准可知，纳米凹凸棒混凝土试件的渗透等级为低或极低。除了C组试件外，其单掺和复掺矿和料的纳米凹凸棒混凝土试件的电通量数值明显低于对比试件的电通量数值，其中复掺硅粉和矿粉的纳米凹凸棒试件的混凝土抗氯离子效果最佳。随着测试龄期的增加，纳凹凸棒混凝土试件的电通量数值逐渐减小，但减小幅度逐渐降低。

图2给出了单掺和复掺的纳米凹凸棒混凝土试件不同龄期的电通量的对比图，复合加入8%硅粉的纳米凹凸棒混凝土在28 d、56 d和90 d的电通量相比于A组试件分别减少了56.84%、57.88%和52.53%，因此，在纳米凹凸棒混凝土中掺入硅粉能有效抵抗的氯离子的渗透能力。

图1 不同龄期纳米凹凸棒混凝土试件电通量Fig.1 Electric flux of nano-attapulgite concrete specimens at different ages

图2 不同胶凝材料混凝土试件的电通量Fig.2 Electric flux of concrete specimens with different cementitious materials

图3 不同胶凝材料体系的纳米凹凸棒混凝土抗碳化性能Fig.3 Carbonation resistance of nano-attapulgite concrete with different cementitious materials

2.3 不同胶凝体系材料对纳米凹凸棒混凝土抗碳化性能的影响

不同胶凝体系材料的纳米凹凸棒混凝土的碳化深度随碳化龄期变化规律如图3所示，由图3可知，碳化初期，对比试件A组和单掺粉煤灰B组其碳化速率比单掺矿粉和双掺大，后期碳化速度有所减缓。碳化7 d时，A组的碳化深度7.8 mm，不同胶凝体系材料的纳米凹凸棒混凝土试件的碳化深度比A组稍大，碳化28 d时，基准试件的碳化深度14.26 mm，单掺粉煤灰试件的碳化深度为15.36 mm，单掺矿粉的碳化深度为12.60，双掺试件的碳化深度分别为13.26 mm和13.19 mm。因此，不同体系胶凝材料的纳米凹凸棒混凝土材料的渗透深度由大到小依次为单掺粉煤灰，双掺硅粉和粉煤灰，双掺矿粉和粉煤灰、单掺矿粉。这是由于碳化初期，不同体系的矿物掺和料水化反应初期比较慢，CO2容易进入混凝土毛细管道，使其与碱性水化发生化学反应，导致水泥材料中的pH值降低，伴随着碳化的进行，水泥基材料中的水化产物与CO2发生反应生成CaCO3，填充在结构孔隙中，阻止了CO2进入结构内部，因此，碳化后期，混凝土碳化深度发展放缓。

3 结论

（1）不同胶凝材料对纳米凹凸棒混凝土的抗压强度有一定影响，与基准混凝土试件相比，早期抗压强度不高，后期抗压强度提高了6.0%；

（2）掺入矿物掺和料料能降低纳米凹凸棒混凝土试件的电通量数值，其中复掺硅粉和矿粉的纳米凹凸棒试件的混凝土抗氯离子效果最佳；

（3）与基准试件相比，单掺矿粉，双掺粉煤灰和矿粉，双掺粉煤灰和硅粉的纳米凹凸棒混凝土抗碳化性能有一定程度的提高。