纳米SiO2改性水泥基复合材料性能分析与桥梁施工应用

夏晓亮

(宁波市杭州湾大桥发展有限公司,浙江 宁波 315000)

水泥基材料(混凝土、砂浆等)易于制造、成本低，被广泛应用于隧道、铁路、公路桥梁等领域。材料的强度和耐久性是评价材料质量的重要指标。随着建筑材料在更多领域、更多环境中的应用，提高水泥材料的综合性能越来越受到人们的广泛关注。纳米材料的出现为进一步提高材料的性能提供了新的途径，广泛应用于砂浆、混凝土等材料的改性和优化。有学者研究碳纳米管(CNTs)在改善水泥复合材料中的作用，发现CNTs可能加速水泥水化，增加CNTs与水泥基体之间的摩擦[1]；纳米TiO2在水泥砂浆中的作用，通过扫描电镜和X射线衍射发现，3%的纳米TiO2能显著提高水泥砂浆的抗拉强度和抗折强度，28 d时砂浆的内部孔隙率和有害孔隙率分别降低37.0%和37.9%，有效地提高了压实度[2]；添加0.02%的功能性化石石墨烯纳米片可以加速水泥材料的水化反应，显著提高水泥材料的抗折强度和抗压强度[3]；发现纳米TiHA可以影响水泥的固化和硬化，壳聚糖可以延缓二水硫酸钙的固化，与硫酸钙的结合可以改善水泥的处理和加工性能[4]。针对水泥基复合材料在桥梁中的应用，本研究采用纳米SiO2对水泥基复合材料进行改性和优化，以提高水泥基复合材料在桥梁中的应用效果。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

水泥：P·O42.5普通硅酸盐水泥，哈尔滨天鹅水泥厂；粉煤灰：南京热电厂一级粉煤灰；骨料：中砂，玉泉砂厂，细度模数203；砾石，宾县宾西垫层厂，连续级配；高效减水剂：聚羧酸系高效减水剂，黑龙江科曼建材有限公司；纳米二氧化硅：杭州万晶新材料有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1试样制备

(1) 配合比：纳米SiO2质量分数分别为0.5%、1%、2%和3%，具体配比情况如表1所示；

表1 试样混合配比情况Tab.1 Sample mixing ratio results

(2)制备工艺：将纳米SiO2与水混合，用小型高速混合器搅拌2 min，得到预分散液；干拌水泥、骨料、粉煤灰搅拌2 min；加入剩余水、预分散液和减水剂搅拌8 min；将混合物倒入模具中放置1 d，并在标准养护室保存28 d。

1.2.2 性能测试

1) 流动性测试

使用NLD-3跳台测试仪测试混合物的流动性，主要步骤：(1)用湿毛巾湿润试验机；(2)将混合物分2层放入锥形模具中，第1层位于模具高度的1/2～2/3处，第2层高出模具10～20 mm；(3)使用振动器将其快速压至中心，并使用抹刀将表面磨平；(4)取下模套，打开测试仪，跳过25次后停止；(5)用直尺测量混合物的直径。

2)压缩和弯曲试验

使用WE-600b万能试验机进行压缩和弯曲试验。(1)压缩试验：选择一个夹具，将压力机设置为0，然后将试样放入压力机中使其侧面压缩，加载速度为(2 400±200 )N/s；抗压强度计算公式为Rc=Fc/A，式中，Fc是最大载荷；A是压缩表面的面积 。(2)抗弯试验：将试样放入夹具中压缩，调整夹具和试样的位置，加载速度为(50±10)N/s，加载持续至试件损坏；抗弯强度计算公式为Rb=1.5FmL/a, 式中，Fm是试样中间的荷载；L表示跨度；a表示试样横截面的边长。

3)抗渗性试验

(1)加热抗渗模具使其略微膨胀；(2)熔化石蜡，使其包含在试样侧面，以防止渗水；(3)将试样压入抗渗模具中，安装在砂浆抗渗仪上。试样在连续压缩24 h后分裂，测量渗透高度。

2 试验结果与分析

2.1 流动性

不同试样的流动性如图1所示。

图1 不同试样的流动性Fig.1 Flowability of different samples

从图1可以看出，S0的流动性为267 mm，S4的流动性为152 mm，比S0低约43%；S1的流动性为251 mm，下降幅度较小。结果表明，纳米SiO2的含量越大，流动性损失越大。

2.2 压缩和弯曲性能

材料的压缩和弯曲性能对桥梁的耐久性有很大的影响，材料性能越好，在桥梁施工中的使用效果越好。不同试样的压缩和弯曲性能如图2所示。

图2 不同试件的压缩和弯曲性能Fig.2 Compression and bending properties of different specimens

从图2可以看出，S2的抗压强度和抗折强度最高，S0的抗压强度和抗折强度分别为32.5、6.8 MPa，S2的抗压强度和抗折强度分别为49.7、10.1 MPa，分别比S0提高52.92%和48.53%。结果表明，纳米SiO2含量为1%时，试件的力学性能最好，在桥梁施工中具有较好的性能。

2.3 抗渗性

钢筋锈蚀将直接导致桥梁的劣化,在沿海、跨海等环境中，桥梁的抗渗性尤为重要；不同试样的渗透高度见表2。

表2 不同试样的渗透高度Tab.2 Penetration height of different samples

由表2可知，试样渗透高度逐渐降低，S0渗透高度为3 cm，S4渗透高度降至1.67 cm，约为S0的一半。结果表明，加入适量的纳米SiO2能有效提高试件的抗渗性能，提高桥梁材料的抗渗性能，这有利于在跨海、跨河桥梁施工中具有较好的适用性。

3 讨论

3.1 材料流动性

材料的流动性是指混合料克服阻力、自由填充模板的能力，对施工效果有非常重要的影响。在材料的实际应用中，如果流动性差，可能导致振动困难而无法成型，材料表面和内部会出现许多孔洞，影响桥梁的施工效果。因此，有必要研究纳米SiO2对试样流动性的影响[7]。图1显示，当纳米SiO2含量过大时，试样的流动性较差，这可能是由于变形虫颗粒的比表面积较大所致。图2显示，当纳米SiO2含量为1%时，纳米颗粒均匀地分散在水泥浆体中，有效地填补了浆体内部的空隙，但纳米SiO2含量过高会导致材料性能下降，这可能是因为纳米SiO2发生了团聚，在浆料中形成了新的缺陷。

3.2 材料抗渗性

由表2可知，纳米SiO2含量越高，抗渗性越好，这可能是因为纳米SiO2的加入促进了水化反应，从而显著提高了材料的抗渗性[8]。一般来说，纳米SiO2的加入对试样的抗渗性影响最大。S4的渗透高度比S0低44.33%，对材料的流动性影响较大。纳米SiO2含量越大，材料的流动性损失越大。从这个角度来说，纳米SiO2的含量一定要适当，否则不利于桥梁的建设。

3.3 材料压缩和弯曲性能

从水泥基复合材料在桥梁中的应用来看，较高的抗压和抗折强度有利于保证桥梁更好的工作性能，从而更好地满足车辆等交通需求，良好的抗渗性能可以降低桥梁内部钢筋的腐蚀速率。因此，在跨海大桥、海岛建设等工程中具有较好的应用效果。除了本文讨论的性能外，纳米SiO2的加入对桥梁的抗震性能也有影响。例如，研究了纳米SiO2和纤维增强聚合物对混凝土管道地震响应的影响，发现纳米SiO2和纤维增强聚合物可以降低结构的动力挠度，从而降低结构的动力变形[9]；纳米SiO2的加入可以提高钢纤维增强混凝土循环抗弯性能的有效性，从而降低地震引起的静荷载[10]。因此，纳米SiO2对桥梁抗震性能的影响值得进一步研究。

此外，还有一些问题需要进一步研究解决，例如：(1) 测试材料的收缩、碳化、耐热性和抗冻性；(2) 从微观结构角度研究纳米SiO2的改性与优化；(3) 探索2种或2种以上纳米粒子对材料的改性，等等。

4 结语

为了提高水泥基复合材料在桥梁施工中的性能，本文对纳米SiO2的改性和优化进行了研究。

(1) 加入纳米SiO2后，混合物的流动性逐渐降低；

(2) 加入纳米SiO2后，试件的抗压和抗折强度先增大后减小；当纳米SiO2质量分数为1%时，试样的力学性能最好；

(3) 加入纳米SiO2后，提高了试件的抗渗性。

试验结果表明，纳米SiO2质量分数为1%时，该材料性能最佳，能有效提高桥梁的耐久性，具有更广泛的适用性。