曲成平 孙燕群
青岛理工大学土木工程学院 山东青岛 266033
摘要：本文通过力学性能试验研究了不同掺量纳米碳酸钙对粉煤灰混凝土各龄期的劈拉和抗压强度的影响，并对混凝土试件进行了冻融循环试验。结果表明：在一定范围内，掺入纳米碳酸钙可以显著改善混凝土的劈拉和抗压强度，且对早期力学性能影响优于后期。纳米碳酸钙还可以细化孔径，提高混凝土的冻融循环次数，延缓混凝土相对动弹性模量衰减。
关键词：粉煤灰混凝土；纳米碳酸钙；抗压强度；抗冻融性能
1 引言
粉煤灰作为一种工业废料掺入混凝土中，不仅可以部分替代水泥降低成本还可以改善混凝土的部分性能。但是，由于部分水泥被粉煤灰取代，降低了粉煤灰混凝土的早期强度。近年来，以纳米碳酸钙、二氧化硅、碳纳米管等为代表的纳米材料在混凝土性能优化方面的研究有了长足的进展。本文在现有研究成果基础上，将纳米碳酸钙引入混凝土体系中，以期为纳米材料改性粉煤灰混凝土性能的研究提供一定的参考价值。
2 试验
2.1 原材料
水泥：采用P.O 42.5级普通硅酸盐水泥；
粗骨料：采用人工碎石为天然粗骨料；
细骨料：采用天然河砂，其细度模数为2.75；
粉煤灰：I级粉煤灰(SiO2含量42.52％，Al2O3，含量32.62％)，灰色粉末；
高效减水剂：聚羧酸减水剂，外观为粉红色粉末，减水率大于30％；
纳米碳酸钙：白色粉末(碳酸钙，含量大于99.0％)，平均粒径为60 nm。
2.2配合比
2.3 试验方法
2.3.1 成型工艺
将试验所需质量的减水剂和大部分的水混合均匀；称取试验所需质量的纳米碳酸钙，放入水和减水剂的混合液中，用超声波细胞粉碎机分散约 30min；称取试验所需的石子、砂子、水泥和粉煤灰，依次加入搅拌机中搅拌均匀。搅拌均匀后边搅拌边加入纳米材料和水的分散液，并将剩余部分的水冲洗加入；将搅拌均匀的混凝土拌合物装入试模，在振动台上振动成型，放入标准养护室中养护。
2.3.2 性能测试
力学性能：采用 GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行测试，试件尺寸为 100mm×l00mm×l00mm，每组测试3个试样，结果取其均值。
抗冻融性能：采用 GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》快冻法进行测试，试件尺寸为100mm×l00mm×400mm， 冻融试验在试件龄期为 28d 时进行，每循环25次后使用DT-16型混凝土动弹性模量仪测量试件的动弹性模量和相对动弹性模量测量。
3 试验结果与分析
3.1 力学性能分析
不同掺量纳米碳酸混凝土的劈拉和抗压强度见表 2-1。
从表2-1可以看出，对于NC1 和 NC2 两个掺量，掺入纳米碳酸钙可有效提高混凝土3d的劈拉强度，增幅分别为75.31%和49.38%；7d抗压强度增幅分别为 17.32%和 11.88%。从图 2-1 及图2-2可以比较直观的看出，混凝土早期强度提高效果优于后期，且当掺量过高时，对混凝土的强度改善不明显。这是由于水泥水化产物中纳米级的水化硅酸钙凝胶相互搭接，形成以纳米碳酸钙为中心的空间网络结构，使混凝土的内部结构更加致密均匀[1]。但当纳米碳酸钙掺量较大时，纳米碳酸钙易出现团聚，在混凝土中形成原始的缺陷，抑制水化产物的扩散，使得混凝土基体强度下降。
3.2 抗冻性能分析
不同掺量纳米碳酸钙混凝土的动弹性模量（Gpa）见表2-2，相对动弹性模量（%）见表2-3。
从图2-3中可看出，随着冻融循环次数的增加，混凝土的相对动弹性模量呈现先逐渐减小后加速减小的趋势。相较于JZ,NC1、NC2、NC3 的抗冻性混凝土均有不同程度的改善。 混凝土的抗渗性能主要取决于内部孔隙结构的特征[2]，纳米碳酸钙的掺入能够在一定程度上降低混凝土的孔隙率，使孔径变得更小、更均匀[3]。
2.3 冻融循环粉煤灰混凝土损伤模型
为了更好的探讨混凝土的损伤情况和冻融循环系数之间的关系，定义混凝土的冻融损伤度为 D
D=1-E i /E 0
式中：D——混凝土的冻融损伤度；
E 0 ——混凝土的初始动弹性模量；
E i ——经i次冻融循环后的动弹性量。
通过上式计算冻融循环后的损伤度，结果见表2-4。
表 2-4 混凝土冻融损伤度（%）
根据表2-4，建立混凝土冻融累积损伤的程度与冻融循环次数的函数，发现其符合幂函数形式：D=aN b 。
4 结论
（１）纳米碳酸钙的掺入能够显著提高粉煤灰混凝土的早期力学性能，且存在最优掺量。 当纳米碳酸钙掺量为1.5％时，混凝土7d的劈拉强度和抗压强度分别提高17.76％、11.88％；
（２）纳米碳酸钙能够细化孔径，有效改善其抗冻性能，并延缓相对动弹性模量的衰减速率。 当掺入1.5％的纳米碳酸钙，冻融循环125 次后，混凝土相对动弹性模量提高了37.7％，此时混凝土抗冻性能最佳；
（３）冻融损伤度与冻融循环次数符合 D=aN b 幂函数形式。
参考文献(References)：
[1]黄政宇，祖天钰．纳米CaCO3 对超高性能混凝土性能影响的研究．硅酸盐通报，2013；（6）：1103-1109
[2]Garboczi E J.Permeability,diffusivity,and microstructural parameters:A critical review[J].Cement and Concrete Research,1990,20(4):591-601
[3]戎志丹，姜 广，孙 伟.纳米SiO2 和CaCO3 对超高性能水泥基复合材料的影响．东南大学学报：自然科学版，2015；(2)：393-398
论文作者:曲成平,孙燕群
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/19
标签：混凝土论文; 碳酸钙论文; 纳米论文; 弹性模量论文; 性能论文; 粉煤灰论文; 抗压强度论文; 《防护工程》2018年第10期论文;