外掺碳化硅混凝土力学性能的试验研究

李佳帅，徐 超

(沈阳工业大学建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870)

1 概述

随着光伏产业的发展，作为传统磨料的碳化硅，由于其硬度高、粒度小且粒径分布集中等性质成为硅片切割中的主要切削介质。为了保证切割过程的稳定需要加入大量的切割砂浆，其主要成分就是碳化硅。由于切割时外力的作用使碳化硅砂浆最终不能符合切割要求而成为废料，该废料中含有大量的碳化硅，导致原料的大量浪费[1]。同时，我国的工厂拆迁及工程改造也产生了大量的碳化硅废料，这些废料的随意堆放浪费了大量的土地资源，污染了环境。针对这一弊端，如果将其回收之后再应用于工程实践中，不仅可以防止资源浪费，而且也改善了环境污染等问题，符合我国资源节省、环境协调和可持续绿色发展的战略需求。

近年来，部分学者对于碳化硅混凝土也进行了相应的研究。李然等[2]研究了纳米颗粒对井壁混凝土耐久性能的影响，发现单掺碳化硅纳米材料提高了井壁混凝土抗压和抗弯强度，也改善了耐磨性能和干缩性能。陈昶旭等[3]对混凝土抗风沙防护用碳化硅增强环氧树脂材料进行了研究，发现在不同冲蚀速度和冲蚀角度下，当碳化硅掺加质量分数为5%时，改性环氧树脂的体积冲蚀率最低，冲蚀抗力良好。刘小明等[4]对碳化硅砂作细骨料增强沥青混凝土的热学性能进行了研究，发现碳化硅砂明显提高了沥青混凝土的微波加热性能，并且沥青混凝土的导热性能随着碳化硅砂替代量增大而提高。目前，对碳化硅混凝土的研究大多集中在耐磨性和耐久性等方面，而对其力学性能的研究报道较少，基于此本文对不同掺量碳化硅的混凝土立方体抗压强度发展规律进行了试验研究，以期为碳化硅在混凝土中的实际应用提供参考。

2 试验概况

2．1 原材料及其基本性能

试验采用P．O42．5 级普通硅酸盐水泥; 天然粗骨料粒径范围为8 mm ～20 mm 的碎石; 砂采用河砂，细度模数为2．58;拌合水采用自来水; 碳化硅的化学成分见表1;减水剂采用减水率为20%的聚羧酸减水剂;绿色碳化硅和黑色碳化硅化学成分基本相同，只是原料和生产工艺有所区别，绿色碳化硅为绿色的半透明体，其硬度、纯度均高于黑色碳化硅，但黑色碳化硅的韧性高于绿色碳化硅，大多数用于加工抗张强度低的材料。

表1 碳化硅化学成分表

2．2 试验配合比

普通混凝土的配合比依据JGJ 55—2011 普通混凝土配合比设计规程[5]设计，本研究通过碳化硅外掺法[6-7]进行配合比设计，即保持普通混凝土配合比不变，仅改变碳化硅的掺量。以碳化硅外掺量0 为基准(对应普通混凝土) ，对于不同外掺碳化硅量的混凝土，保持水泥、水、砂、粗骨料、外加剂不变，仅改变碳化硅的外掺量，混凝土的配合比设计见表2。

表2 混凝土配合比设计

2．3 试件制作与养护

为了研究外掺黑色和绿色碳化硅混凝土立方体抗压性能，考虑碳化硅外掺量和时间龄期两种变化参数的影响，总共设计216 个试块开展试验。其中，碳化硅外掺含量考虑了0%，3%，5%，7%，10%等五种掺量(质量百分比，下同) ，对应的试件组分别为C0，C1，C2，C3，C4;时间龄期考虑了7 d，14 d，21 d，28 d 等4 个时间龄期。两种类型每种掺量对应每一时间龄期做1 组试块，每组3 个100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试件做抗压强度试验。制备试件后移至标准养护室进行养护，根据龄期进行混凝土立方体抗压强度试验。

3 试验结果及分析

3．1 试验结果

按照GB/T 50081—2002 普通混凝土力学性能试验方法标准[8]分别测试碳化硅外掺量为0%，3%，5%，7%，10%五种掺量混凝土的7 d，14 d，21 d 和28 d 立方体抗压强度。立方体抗压强度试验结果见表3，表3 中每个数据取3 个试件实测结果平均值。

表3 立方体抗压强度试验结果

3．2 结果分析

图1，图2 分别给出了不同掺量黑色碳化硅和绿色碳化硅对混凝土立方体抗压强度的影响。由图1，图2 可见，随着养护龄期的增长，混凝土立方体抗压强度呈增长趋势，与无外掺混凝土相比较，3%，5%掺量碳化硅混凝土各龄期立方体抗压强度提高更明显。当外掺量小于5%时，随着碳化硅掺量增大，各龄期抗压强度呈递增趋势，5%掺量碳化硅混凝土抗压强度达到峰值。对外掺黑色碳化硅的混凝土立方体，7 d，14 d，21 d，28 d 的抗压强度分别提高了31%，34%，44%，18%，对外掺绿色碳化硅的混凝土立方体，7 d，14 d，21 d，28 d 的抗压强度分别提高了57%，58%，48%，23%。当掺量大于5%小于10%时，随着碳化硅掺量增大，各龄期抗压强度出现明显递减趋势。

图1 不同掺量黑色碳化硅抗压强度比较

图2 不同掺量绿色碳化硅抗压强度比较

图3，图4 分别给出3%，5%掺量的黑色碳化硅和绿色碳化硅与无外掺混凝土强度相比较。由图3，图4 可见，与无外掺混凝土相比，3%，5%掺量碳化硅的立方体抗压强度均有所提升，5%掺量碳化硅的混凝土立方体抗压强度提高更明显一些，其中5%掺量的绿色碳化硅混凝土抗压强度增长幅度最大。

图3 3%掺量碳化硅抗压强度比较

图4 5%掺量碳化硅抗压强度比较

图5，图6 分别给出了7%，10%掺量的黑色碳化硅和绿色碳化硅与无外掺混凝土强度相比较，由图5，图6 可见，7 d 时7% 和10% 掺量的黑色碳化硅混凝土出现了强度低于无外掺混凝土强度的现象。随着龄期的增长7% 掺量碳化硅的混凝土立方体14 d，21 d 强度逐渐增长且高于无外掺混凝土强度，但增长幅度趋于平缓，28 d 时外掺碳化硅混凝土立方体强度低于无外掺混凝土抗压强度。随着龄期增长，10%掺量碳化硅的混凝土立方体14 d，21 d，28 d 增长幅度趋于平缓，几乎无增长，且低于28 d 无外掺混凝土抗压强度。

图5 7%掺量碳化硅抗压强度比较

图6 10%掺量碳化硅抗压强度比较

普通水泥的平均粒径为10 μm ～20 μm，如果在该体系中掺入极小粒径的碳化硅，由于碳化硅掺入后能发挥较好的微集料填充作用，填充骨架及内部缺陷、增加浆体含量、加速水化物生成，使硬化浆体结构和胶结面更为致密，混凝土强度提高。但是碳化硅掺量的增加并不会一直使强度增加，由试验可知，碳化硅在该体系中有一个最合适掺量(5%) ，此时水化物晶体的致密性达到最大化，并且复合体系的混凝土抗压强度可以最大化，低于或者高于这个最合适掺量都达不到这个效果，当掺量大于5%时随着碳化硅颗粒的持续增加，水泥砂浆颗粒的间距会减小，会使水化物晶体的生长空间被压缩，从而使硬化的水泥变得疏松，最终导致混凝土的强度下降[9]。

4 结语

1) 碳化硅的适量掺入有利于混凝土的各个龄期强度的增强，随着碳化硅的掺入混凝土的抗压强度呈现先增长、达到峰值后而下降的趋势。当抗压强度达到峰值时，碳化硅的掺量为5%。当掺量超过5%时，混凝土立方体抗压强度出现下降的趋势，且出现强度低于无外掺混凝土的现象。2) 绿色碳化硅的适量掺入对于混凝土强度的提升，要明显好于黑色碳化硅的掺入。因此，要提高混凝土的强度，建议优选绿色碳化硅。