梁 博，马芹永,2

(1. 安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

面对自然环境不断恶化以及人们对混凝土性能要求不断提高，混凝土绿色化和高性能化受到了国内外学者和工程界的广泛关注[1]。混凝土绿色化和高性能化是指混凝土使用的材料能够减少能耗、节约不可再生资源和减少对环境的破坏，且本身具有优良的工作性、力学性能、耐久性等优点[2]。因此，混凝土的发展必将是绿色化和高性能化二者相结合的趋势。

超细粉煤灰是一种亚微米、正球状且表面多为光滑致密的玻璃微珠，由机械粉磨、电收尘气流等工艺筛选出[3]，适量掺入混凝土可以有效提高混凝土拌合物的和易性，并具有较好的减水效应[4]，其主要活性成分SiO2、Al2O3可以和水泥水化过程产生的Ca(OH)2进行“二次反应”生成水化硅酸凝胶和水化铝酸钙晶体，从而填充混凝土结构中的孔隙，提高混凝土的强度[5-6]。用超细粉煤灰代替部分水泥，既有效降低水泥用量，提高混凝土强度又充分利用燃煤电厂副产物粉煤灰，达到了互利双赢的效果。

纳米SiO2是一种无定形物质，粒径一般在20nm左右[7]，因粒径较小，表面有大量不饱和Si-O残键和不同键合状态的羟基，所以纳米SiO2具有较高的反应活性[8]。适量掺入混凝土中能够与水泥水化过程产生的Ca(OH)2发生反应，从而改善水泥浆体结构以及与骨料粘结界面结构，密实混凝土微结构，提高混凝土的各种力学性能，尤其是早期力学性能[9-11]。但纳米SiO2较好的火山灰活性和极大的表面积使水化时放热速率及标准需水量急剧增加[12-13]。

为制备绿色高性能混凝土，本文在超细粉煤灰混凝土中掺入纳米SiO2，通过改变纳米SiO2的掺量，分析了纳米SiO2掺量对超细粉煤灰混凝土抗压和劈裂抗拉强度及破坏形态的影响，为工程应用提供参考。

1 试验原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥选用八公山牌，规格为42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料选用淮河中砂，细度模数为2.6；粗骨料选用粒径5～10mm的级配碎石；水选用自来水。

超细粉煤灰选用深圳道特有限公司产品，颗粒形态为标准球形，颜色为灰白色，球体密度为2.6g/cm3，细度≤10μm，含水率≤1 %，烧失量≤5；纳米SiO2选用南京海泰纳米材料有限公司产品，型号为HTSi-01，颜色为白色粉体，平均粒径≤20nm，比表面积为600m2/g，堆积密度≥0.035g/cm3，干燥失重≥5.1%，SiO2元素含量≥99.1；高性能减水剂选用粉体聚羧酸，加入量为胶凝材料的0.16 %，减水率为15 %。

1.2 试验方法

混凝土强度设计等级为C40，配合比的设计依据JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》其试验配合比为水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.20∶2.30∶0.42，砂率为34 %。超细粉煤灰采用内掺方法等量替代水泥0 %、15 %、20 %，纳米SiO2采用内掺方法等量替代水泥0 %、0.6 %、0.8 %、1.0 %、1.2 %、1.4 %。

试验的试件制作方法依据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，其尺寸为150mm×150mm×150mm，每组6块，3块为抗压试件，3块为劈裂抗拉试件，制备好后养护24h后拆模，标准养护28d后进行力学性能测试。通过TYE-2000型压力试验机测试试件的抗压和劈裂抗拉强度以及通过试件的抗压和劈裂抗拉的破坏形态研究试件的力学性能。

2 试验结果与分析

2.1 纳米SiO2混凝土压拉强度分析

纳米SiO2混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度试验结果如表1所示。

表1 纳米SiO2混凝土压拉强度试验 MPa

注：N代表纳米SiO2；CXF代表超细粉煤灰，后面数字分别代表纳米SiO2和超细粉煤灰替代水泥质量的百分比。

为更加直观的观察纳米SiO2对普通混凝土抗压和劈裂抗拉强度的影响，通过式(1)和式(2)将表1中不同掺量的纳米SiO2下混凝土抗压和劈裂抗拉强度换算成普通混凝土抗压和劈裂抗拉强度的相对百分率，用其相对百分率绘制图1和图2。

(1)

(2)

式(1)中：ηc为抗压强度相对百分率；fc为不同掺量纳米SiO2下混凝土抗压强度；fc0为普通混凝土抗压强度。

式(2)中：ηt为劈裂抗拉强度相对百分率；ft为不同掺量纳米SiO2下混凝土劈裂抗拉强度；ft0为普通混凝土劈裂抗拉强度。

图1 纳米SiO2掺量与抗压强度相对百分率的关系

图2 纳米SiO2掺量与劈裂抗拉强度相对百分率的关系

由图1和图2可知，纳米SiO2混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度伴随纳米SiO2加入量的增大呈现先上升后下降的变化趋势，当纳米SiO2加入量在0.8 %左右时，试件的抗压和劈裂抗拉强度增幅效果最好，此时混凝土的抗压和劈裂抗拉强度为64.88MPa和6.42MPa相对普通混凝土的抗压和劈裂抗拉强度提高了15.94 %和16.94 %； 当纳米SiO2加入量大于0.8 %时， 试件抗压和劈裂抗拉强度逐渐减小； 当纳米SiO2加入量大于1.2 %时。 混凝土的抗压和劈裂抗拉强度均小于普通混凝土的抗压和劈裂抗拉强度。 原因在于适量的纳米SiO2加入普通混凝土中可以和水泥水化产物Ca(OH)2生成C-S-H凝胶，其颗粒可以填充普通混凝土的微小孔隙和水化产物内部的孔隙，从而使得普通混凝土结构更加密实，强度得到较好改善，但纳米SiO2过量加入普通混凝土中不仅不会提高混凝土强度，反而会影响混凝土的强度。因为当纳米 SiO2掺入混凝土的量过高时，会使得纳米 SiO2在混凝土中分布不均匀，而且纳米 SiO2颗粒比表面积极大，与水拌合后其表层吸附了大量水，从而减少参与水化反应的水量[14]。

2.2 纳米SiO2超细粉煤灰混凝土压拉强度分析

纳米SiO2超细粉煤灰混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度试验结果如表2所示。

将表2不同掺量的纳米SiO2下超细粉煤灰混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度绘制图3和图4。

表2 纳米SiO2超细粉煤灰混凝土压拉强度试验 MPa

图3 纳米SiO2掺量与超细粉煤灰混凝土抗压强度的关系

图4 纳米SiO2掺量与超细粉煤灰混凝土劈裂抗拉强度的关系

由图3和图4可知，N-0-CXF-15试件的抗压和劈裂抗拉强度优于N-0-CXF-20试件的抗压和劈裂抗拉强度；当超细粉煤灰混凝土中纳米SiO2加入量一定时，掺量15 %超细粉煤灰的混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度比掺量20 %超细粉煤灰的混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度好，当纳米SiO2加入量小于1.0 %时，伴随纳米SiO2加入量的增加，超细粉煤灰混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度也逐渐增大；当纳米SiO2掺量为1.0 %时，掺量15 %超细粉煤灰的混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度为64.64MPa和6.38MPa，掺量20 %超细粉煤灰的混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度为64.41MPa和6.31MPa，此时超细粉煤灰混凝土试件抗压和劈裂抗拉强度增强效果最好；当纳米SiO2加入量大于1.0 %时，超细粉煤灰混凝土试件强度均急剧减小。原因在于普通混凝土中加入适量的超细粉煤灰和纳米SiO2参与了水化反应以及亚微米和纳米颗粒起到的微集料物理填充效应，同时可以利用各自的优势弥补对方的不足，从而大大改善了普通混凝土强度。文献[15]研究了纳米SiO2对水泥粉煤灰体系水化硬化作用研究，试验结果显示，粉煤灰水泥基材料中加入适量直径为20nm的纳米SiO2能够有效的提高其28 d抗压强度。

2.3 混凝土试件抗压和劈裂抗拉破坏形态分析

图5为N-0-CXF-15和N-1.0-CXF-15混凝土试件抗压达到峰值应力时的破坏形态，由图5可知，N-0-CXF-15和N-1.0-CXF-15混凝土试件抗压破坏时的过程为：开始在靠近混凝土侧边出现竖向微裂缝并且伴有混凝土碎片剥落，达到峰值应力时混凝土侧边裂缝逐渐变宽且出现较大混凝土碎片掉落，其破坏形态为脆性破坏。但N-0-CXF-15试件抗压破坏过程中剥落的碎片明显比N-1.0-CXF-15试件抗压破坏过程中剥落的碎片多而且大，N-0-CXF-15试件达到峰值应力破坏的裂缝同样比N-1.0-CXF-15试件达到峰值应力破坏的裂缝多。由此说明复掺15%超细粉煤灰和1.0 %纳米SiO2的混凝土抗压性能好于单掺15 %超细粉煤灰的混凝土抗压性能。

图5 试件抗压在峰值应力时的破坏形态

图6为N-0-CXF-15和N-1.0-CXF-15试件的劈裂抗拉破坏形态，由图6可知，N-0-CXF-15和N-1.0-CXF-15试件在破坏时，呈现出一条明显的贯穿主裂缝，而且这条贯穿裂缝扩展很迅速，表现为明显的脆性破坏，但N-0-CXF-15试件最终劈裂抗拉破坏时主裂缝的宽度明显大于N-1.0-CXF-15试件的主裂缝的宽度，而且N-0-CXF-15试件破坏的主裂缝旁还有一条短裂缝。由此说明，当混凝土中复掺15%的超细粉煤灰和1.0 %的纳米SiO2时，其劈裂抗拉性能优于混凝土中单掺15 %的超细粉煤灰时的劈裂抗拉性能。

图6 试件劈裂抗拉破坏形态

3 结论

1)普通混凝土试件中加入纳米SiO2时，普通混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度伴随纳米SiO2加入量的增大，出现先上升后下降的变化趋势，当纳米SiO2加入量在0.8 %时，普通混凝土的抗压和劈裂抗拉强度增幅效果最佳。

2)当纳米SiO2在超细粉煤灰混凝土的掺量为1.0 %时，超细粉煤灰混凝土的抗压和劈裂抗拉强度增幅效果最好。掺量15 %超细粉煤灰的混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度分别为64.64MPa和6.38MPa相对普通混凝土的抗压和劈裂抗拉强度提高了21.80%和16.21%，掺量20%超细粉煤灰的混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度为64.41MPa和6.31MPa相对普通混凝土的抗压和劈裂抗拉强度提高了21.37 %和14.96 %。

3)掺入15 %超细粉煤灰混凝土中加入1.0 %的纳米SiO2时，试件抗压和劈裂抗拉破坏裂缝的宽度和数目明显要小于普通混凝土试件裂缝的宽度和数目。

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