纳米颗粒粉煤灰绿色混凝土的耐久性试验研究

党 莹

（汉江师范学院艺术学院，湖北十堰442000）

由于混凝土材料在建筑工程领域中广泛使用，因此不少研究者通过试配不同的配合比来配制高性能混凝土［1-2］。李帅雄等［3］采用正交试验方法，考察水胶比、粉煤灰掺量、沙漠砂替代率3个因素对塔克拉玛干沙漠砂混凝土性能的影响规律。周永等［4］采用矿渣粉和微硅粉两种高活性矿物掺合料及高效减水剂等“三掺”技术，配制出工作性和抗裂性好、力学性能优及耐久性强的高强混凝土。马保国等［5］讨论了高性能混凝土配制的主要技术途径和配比参数的合理选择，详细介绍了多种典型的高性能混凝土配合比设计方法。陈波等［6］研究了4种混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力和抗氯离子侵蚀能力。万超等［7］兼顾强度和耐久性两项指标，采用公式化方法直接对高性能混凝土耐久性进行设计。杨绿峰等［8］建立了混凝土的氯离子扩散系数多因素模型，并按照预定的混凝土强度和耐久性要求开展配合比分析和设计。李化建等［9］研究矿物掺和料种类（粉煤灰等）及掺量等配合比参数对混凝土氯离子渗透性能影响规律。张惠萍［10］研究了混凝土材料耐久性影响的相关因素，建议桥梁结构设计与施工应注重混凝土的耐久性。赵迁乔等［11］提出了国内冰冻海域桥梁建设中首次采用的大掺量普通矿粉的耐久性混凝土配合比技术。张素香等［12］进行了四因素五水平二次回归正交试验，并综合四因素考虑最终给出了路面水泥混凝土耐久性配合比建议范围。杨华全等［13］通过实验得出适当增大粉煤灰掺量等技术措施，便可以使混凝土各项指标满足设计技术要求。岳修斌等［14］采用掺加优质粉煤灰降低水泥用量，得出配制的几组混凝土性能均能满足设计要求。苏传菊等［15］得出在混凝土中掺入粉煤灰，可以增强混凝土的和易性和可泵性，提高了混凝土的耐久性。黄贻凤等［16］研究了聚丙烯纤维掺量对于混凝土的工作性能、力学性能及耐久性的影响。毕苏萍等［17］采用磨细矿粉和粉煤灰双掺的复合矿物掺和料，配制了C80级高性能高强混凝土。

上述研究成果通过不同的配合比试验方法得出了高性能混凝土的最佳配合比。随着建筑垃圾粉煤灰逐渐增加，对粉煤灰的二次利用成为了解决污染物的重要研究方向之一。为实现绿色环保目标，笔者从废弃材料循环利用的角度出发，用粉煤灰来替代水泥；同时在混凝土中掺入纳米颗粒材料ZnO来提高混凝土的力学及耐久性性能，该材料具有高效的活性，能够促进混凝土中水泥的水化进程，能够有效地提高混凝土的性能。通过同时掺入两种材料得出最佳的混凝土配合比，可为今后高性能混凝土的配制提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 材料

选用P.O.52.5水泥，其化学组成成分如表1所示。

表1 水泥成分Table 1 Compositions of cement %

粗骨料粒径为8~12 mm，其堆积密度约为1 452 kg/m3，表观密度约为2 216 kg/m3，压碎指标为5%；细骨料粒径为0~8 mm，其堆积密度约为1 493 kg/m3，表观密度约为2 471 kg/m3。粉煤灰压实密度为998 kg/m3，松散密度为937 kg/m3；纳米颗粒ZnO直径约为40 nm；水为蒸馏水；减水剂为3%的高效减水剂（即减少3%的用水量），根据上述试验原材料配制混凝土，如表2所示。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete kg/m3

1.2 方法

根据GB/T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》，为研究纳米颗粒ZnO和粉煤灰对混凝土的耐久性性能，通过在混凝土中掺入1%、2%和3%的纳米颗粒ZnO，并用粉煤灰分别替代混凝土中10%、20%和30%的水泥制备30组混凝土试块。采用型号YES系列数显压力机测试纳米颗粒ZnO粉煤灰混凝土的抗压强度值和抗拉强度值。采用型号HC-RCT混凝土氯离子含量快速测定仪对纳米颗粒ZnO粉煤灰混凝土的抗氯离子性能进行测试，通过3种实验得出最佳的配合比。最后通过型号SU3900扫描电镜对混凝土的微观结构进行测试，分析其性能变化规律。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

在混凝土中掺入不同含量的粉煤灰和纳米颗粒ZnO，测试纳米颗粒ZnO粉煤灰混凝土的抗压强度演变关系，如图1所示。从图1可以看出，在粉煤灰替代率相同的情况下，随着纳米颗粒ZnO质量分数的增加（0%~3%），纳米颗粒ZnO粉煤灰混凝土的抗压强度逐渐增加。如粉煤灰替代率为20%时，无纳米颗粒ZnO的混凝土抗压强度为47.5 MPa，1%纳米颗粒ZnO的混凝土抗压强度为49.2 MPa，2%纳米颗粒ZnO的混凝土抗压强度为52.8 MPa，3%纳米颗粒ZnO的混凝土抗压强度为53.1MPa；而在纳米颗粒ZnO含量相同的情况下，随着粉煤灰替代率的增加（0%~30%），纳米颗粒ZnO粉煤灰混凝土的抗压强度逐渐下降。如纳米颗粒ZnO质量分数为2%时，无粉煤灰的混凝土的抗压强度为59.7 MPa，10%粉煤灰的混凝土的抗压强度为56.1 MPa，20%粉煤灰的混凝土的抗压强度为52.8 MPa，30%粉煤灰的混凝土的抗压强度为48.1 MPa。分析纳米颗粒ZnO对混凝土抗压强度提高率可以得出，当纳米颗粒ZnO质量分数从0%增长到2%时，混凝土抗压强度增长最快，而当纳米颗粒ZnO质量分数从2%增长到3%时，混凝土抗压强度增长速率变慢，因此可以得出最佳的纳米颗粒ZnO掺量应为2%。对比分析粉煤灰对混凝土抗压强度损失率可以得出，随着粉煤灰替代率的逐渐增加，混凝土抗压强度损失速率逐渐加快。

图1 纳米颗粒ZnO和粉煤灰对混凝土的抗压强度的影响Fig.1 Influence of nano ZnO and fly ash on compressive strength of concrete

进一步分析上述两种材料对混凝土的影响可以得出，1）对于纳米颗粒ZnO材料：纳米颗粒ZnO能够有效地填充至混凝土的内部空隙中，提高混凝土的密实度，从而使得混凝土的抗压强度提高，当掺入的量较少时，纳米颗粒ZnO对混凝土的增强作用具有非常明显的作用。但另一方面由于纳米颗粒ZnO几乎没有力学强度，掺入过多的纳米颗粒ZnO后，混凝土的抗压强度会降低。因此在试验过程中，纳米颗粒ZnO含量对混凝土抗压强度的影响呈现出先增加而后下降的现象。2）对于粉煤灰材料：掺入粉煤灰也能够填充混凝土的内部空隙，增加混凝土的抗压强度，但由于粉煤灰材料掺量越大，替代水泥的比例越高，使混凝土的抗压强度损失逐渐增大，相比之下，粉煤灰对混凝土抗压强度的提高就不是那么明显。对比两因素三水平的试验结果，当纳米颗粒ZnO质量分数为1%时，建议粉煤灰的替代率在10%以下；当纳米颗粒ZnO质量分数为2%时，建议粉煤灰的替代率在20%以下；而纳米颗粒ZnO质量分数为3%时，建议粉煤灰的替代率仍在20%以下，因此不建议纳米颗粒ZnO的掺量超过2%。

2.2 抗拉强度

在混凝土中掺入不同含量的粉煤灰和纳米颗粒ZnO，测试纳米颗粒ZnO粉煤灰混凝土的抗拉强度演变关系，如图2所示。从图2可以看出，在粉煤灰替代率相同的情况下，随着纳米颗粒ZnO质量分数的增加（0%~3%），纳米颗粒ZnO粉煤灰混凝土的抗拉强度逐渐增加。如粉煤灰替代率为20%时，无纳米颗粒ZnO的混凝土抗拉强度为4.1 MPa，1%纳米颗粒ZnO的混凝土抗拉强度为4.5 MPa，2%纳米颗粒ZnO的混凝土抗拉强度为4.9 MPa，3%纳米颗粒ZnO的混凝土抗拉强度为4.9 MPa；而在纳米颗粒ZnO含量相同的情况下，随着粉煤灰替代率的增加（0%~30%），纳米颗粒ZnO粉煤灰混凝土的抗拉强度逐渐下降。如纳米颗粒ZnO质量分数为2%时，无粉煤灰的混凝土的抗拉强度为5.4 MPa，10%粉煤灰的混凝土的抗拉强度为5.2 MPa，20%粉煤灰的混凝土的抗拉强度为4.9 MPa，30%粉煤灰的混凝土的抗拉强度为4.5 MPa。分析纳米颗粒ZnO对混凝土抗拉强度提高率可以得出，当纳米颗粒ZnO质量分数从0%增长到2%时，混凝土抗拉强度增长的最快，而当纳米颗粒ZnO质量分数从2%增长到3%时，混凝土抗拉强度增长速率变慢，因此可以得出最佳的纳米颗粒ZnO掺量应为2%。对比分析粉煤灰对混凝土抗拉强度损失率可以得出，随着粉煤灰替代率的逐渐增加，混凝土抗拉强度损失速率逐渐加快。

图2 纳米颗粒ZnO和粉煤灰对混凝土的抗拉强度的影响Fig.2 Influence of nano ZnO and fly ash on tensile strength of concrete

进一步分析上述两种掺量对混凝土的影响可以得出，1）对于纳米颗粒ZnO材料，由于纳米颗粒ZnO可以使得混凝土的内部结构更为密实，降低混凝土的孔隙率，从而提高混凝土的密实度。但另一方面由于纳米颗粒ZnO的抗拉强度很小，因此过多地掺入纳米颗粒ZnO会使得混凝土的抗拉强度降低。因此在试验过程中，纳米颗粒ZnO含量对混凝土抗拉强度的影响呈现出先增加而后下降的现象。2）对于粉煤灰材料，由于粉煤灰材料掺量越大，替代水泥的比例越高，因此混凝土的抗拉强度损失逐渐增大，相比之下，粉煤灰对混凝土抗拉强度的提高就不是那么明显。对比两因素三水平的试验结果，当纳米颗粒ZnO质量分数为1%时，建议粉煤灰的替代率在10%以下；当纳米颗粒ZnO质量分数为2%时，建议粉煤灰的替代率在20%以下；而纳米颗粒ZnO质量分数为3%时，建议粉煤灰的替代率仍在20%以下，因此不建议纳米颗粒ZnO的掺量超过2%。

2.3 抗氯离子性能

在混凝土中掺入不同含量的粉煤灰和纳米颗粒ZnO，测试纳米颗粒ZnO粉煤灰混凝土的抗氯离子侵蚀演变关系，如图3所示。随着纳米颗粒ZnO质量分数的增加（0%~3%），纳米颗粒ZnO粉煤灰混凝土的抗氯离子侵蚀性能逐渐增加。如在深度为20 mm处的氯离子浓度，当粉煤灰替代率为20%时，无纳米颗粒ZnO的混凝土氯离子质量分数为1.6%，1%纳米颗粒ZnO的混凝土氯离子质量分数为1.3%，2%纳米颗粒ZnO的混凝土氯离子质量分数为1.1%，3%纳米颗粒ZnO的混凝土氯离子质量分数为1%。在纳米颗粒ZnO含量相同的情况下，随着粉煤灰替代率的增加（0%~30%），纳米颗粒ZnO粉煤灰混凝土的抗氯离子侵蚀性能逐渐增加。如在深度为20 mm处的氯离子浓度，当纳米颗粒ZnO质量分数为2%时，无粉煤灰的混凝土氯离子质量分数为1.8%，10%粉煤灰的混凝土氯离子质量分数为1.4%，20%粉煤灰的混凝土氯离子质量分数为1.1%，30%粉煤灰的混凝土氯离子质量分数为1%。分析纳米颗粒ZnO对混凝土抗氯离子侵蚀性能提高率可以得出，当纳米颗粒ZnO质量分数从0%增长到2%时，混凝土抗氯离子侵蚀性能增长得最快，而当纳米颗粒ZnO质量分数从2%增长到3%时，混凝土抗氯离子侵蚀性能增长速率变慢，因此可以得出最佳的纳米颗粒ZnO掺量应为2%。对比分析粉煤灰对混凝土抗氯离子侵蚀性能提高率可以得出，当粉煤灰质量分数从0%增长到20%时，混凝土抗氯离子侵蚀性能增长得最快，而当粉煤灰质量分数从20%增长到30%时，混凝土抗氯离子侵蚀性能增长速率变慢，因此可以得出最佳的粉煤灰掺量应为20%。

图3 纳米颗粒ZnO和粉煤灰对混凝土的抗氯离子性能的影响Fig.3 Influence of nano ZnO and fly ash on chloride resistance of concrete

进一步分析上述两种掺量对混凝土的影响可以得出，1）对于纳米颗粒ZnO材料，由于纳米颗粒ZnO可以使得混凝土的内部结构更为密实，降低混凝土的孔隙率，从而提高混凝土的密实度。当混凝土内部已经填充密实时，随着纳米颗粒ZnO掺量的增多并不能明显地提高混凝土的抗氯离子性能。因此在试验过程中，纳米颗粒ZnO含量对混凝土抗氯离子性能的影响呈现出先增加而后下降的现象。2）对于粉煤灰材料，粉煤灰在提高混凝土的抗氯离子性能方面的原因与纳米颗粒ZnO类材料类似，并且粉煤灰的比表面积也很小，能够与纳米颗粒ZnO互相补充，密实混凝土内部空隙。当混凝土内部已经填充密实时，随着粉煤灰掺量的增多并不能明显地提高混凝土的抗氯离子性能。因此在试验过程中，粉煤灰含量对混凝土抗氯离子性能的影响也呈现出先增加而后下降的现象。因此，掺入越多的纳米颗粒ZnO和粉煤灰等活性材料，混凝土的抗氯离子性能就越好，但掺入的比例应综合考虑对混凝土抗压强度及抗拉强度的影响。

2.4 微观测试

不掺入纳米颗粒ZnO和粉煤灰的混凝土（a）和掺入2%纳米颗粒ZnO和20%的粉煤灰的混凝土（b）SEM图见图4。从图4可以看出，两者在内部结构上有着明显的差异，掺入外加材料的混凝土内部结构更为密实，即密实度更高。因此其耐久性即抗氯离子性能也就越好。

图4 微观测试Fig.4 Micro test

3 结论

本文通过调整纳米颗粒ZnO材料含量和粉煤灰材料含量，配制不同配合比的混凝土，通过测试混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗氯离子性能，得出了以下结论：1）当纳米颗粒ZnO质量分数从0%增长到2%时，混凝土抗压强度、抗拉强度和抗氯离子性能增长得最快，而当纳米颗粒ZnO质量分数从2%增长到3%时，混凝土抗压强度、抗拉强度和抗氯离子性能增长速率变慢，因此可以得出最佳的纳米颗粒ZnO掺量应为2%。2）随着粉煤灰替代率的逐渐增加，混凝土抗压强度和抗拉强度损失速率逐渐加快。当粉煤灰质量分数从0%增长到20%时，混凝土抗氯离子侵蚀性能增长得最快，而当粉煤灰质量分数从20%增长到30%时，混凝土抗氯离子侵蚀性能增长速率变慢，因此可以得出最佳的粉煤灰掺量应为20%。3）当纳米颗粒ZnO质量分数为1%时，建议粉煤灰的替代率在10%以下；当纳米颗粒ZnO质量分数为2%时，建议粉煤灰的替代率在20%以下；而纳米颗粒ZnO质量分数为3%时，建议粉煤灰的替代率仍在20%以下，因此不建议纳米颗粒ZnO的掺量超过2%。