纳米S i O2对抗冻融混凝土性能的影响

王松亮，孙琳，刘先国，娄跃恒

（徐州中联混凝土有限公司，江苏 徐州 221100）

0 前言

近年来，随着“一带一路”战略的提出，西部地区及海洋领域的建设与发展越来越受到国家的重视，一大批重大基础工程正在建设或规划中[1]。这些区域环境复杂，昼夜温度变化巨大，尤其海水中侵蚀性离子种类多且含量高；上述因素都对混凝土的耐久性能提出了更高的要求。但受到本身固有属性的影响，混凝土容易在外界荷载与环境的影响下出现开裂；而这些被认为对混凝土结构承载性无害的裂缝将成为外界侵蚀性介质的进入通道，从而对混凝土的耐久性产生负面影响[2,3]。

在低温寒冷环境下，混凝土中的水分发生液—固相变而产生体积膨胀，最终导致混凝土结构被破坏[1,4]。引气剂可以在混凝土拌合物中引入大量微小、封闭而稳定的气泡，缓解水分液固—相变产生的膨胀应力，提高混凝土抗冻性能[4]。常用的引气剂种类有松香树脂类钠盐化物、烷基苯磺酸盐类、脂肪醇类、木质素磺酸盐类、天然皂类等。其中天然皂类引气剂引气效果良好，但受资源制约，成本过高；松香树脂类钠盐化物因反应程度不同，质量差异较大；烷基苯磺酸盐类、脂肪醇类、木质素磺酸盐类引气剂引入的气泡较大，稳定性较差[5]。这些不利因素制约了引气剂的使用。

纳米 SiO2粉体是混凝土研究中常用的纳米改性剂，具有良好的火山灰活性、晶核作用和微集料效应，能有效改善混凝土性能[6]。本文拟通过在抗冻融混凝土中掺入纳米 SiO2，研究其对混凝土性能的影响。

1 原材料

（1）水泥：淮海中联 P·O42.5 水泥，标准稠度需水量比 28.2%，28d 抗压强度 54.1MPa。

（2）粉煤灰：国华Ⅰ级灰，45µm 方孔筛筛余6.8%，28d 活性指数 78%。

（3）矿粉：徐钢 S95 级矿粉，流动度比 96%，28d活性指数 99%。

（4）河砂：Ⅱ 区中砂，含泥量 1.5%，细度模数2.6。

（5）碎石：公称粒径 5～31.5mm 碎石，含泥量0.5%。

（6）水：市政自来水。

（7）减水剂：苏博特 PCA-1 聚羧酸减水剂，减水率 19.0%。

（8）引气剂：十二烷基硫酸钠，白色粉末状固体。

（9）纳米 SiO2：上海德固赛，粒径范围 10～50nm，二氧化硅纯度 99%。

2 试验方法

在抗冻融混凝土内掺入纳米 SiO2以改善混凝土性能。调整纳米 SiO2掺量，检测混凝土性能变化。试验以强度等级 C35、抗冻等级 F200 的抗冻融混凝土配合比为基准配合比，具体配合比见表1。

表1 试验用 C 35 F 200 基准配合比.g/m3

混凝土性能检测参照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》及 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的相关规定执行。

3 试验结果与讨论

3.1 混凝土工作性能检测结果

在基准配合比中掺入纳米 SiO2，调整纳米 SiO2的掺量，配制混凝土并检测混凝土拌合物工作性能，检测结果如表2 所示，其中0 号试验未掺加引气剂。

表2 混凝土拌合物工作性能检测结果

图1 混凝土拌合物工作性能检测结果

由表2 和图1 可知，掺入引气剂后混凝土拌合物的工作性能有所提高，这是由于引气剂引入的大量微小气泡能起到类似于滚珠的作用，可提高混凝土拌合物的流动性[4]；引气剂与纳米 SiO2同时掺入，混凝土拌合物的含气量基本无变化，而坍落度与扩展度大幅降低。纳米SiO2可以细化浆体中气泡的孔径，使气泡数量增加；但与水泥等胶凝材料相比，纳米 SiO2具有更大的比表面积，对水分有较强的吸附作用，使得混凝土拌合物中自由水减少，流动性降低[2]。

3.2 混凝土力学性能检测结果

采用 3.1 中混凝土拌合物制作抗压强度试块，经标准养护后检测混凝土的抗压强度，试验结果如表3 所示。

结果表明：掺入引气剂后，混凝土力学性能因含气量上升而有所下降；掺入纳米 SiO2后，混凝土力学性能随其掺量的增加而提高。纳米 SiO2颗粒微小，具有很高的火山灰活性，可与水泥水化产生的 Ca(OH)2反应生成 C-S-H 凝胶，从而提高混凝土强度[2,5]；同时纳米SiO2作为改性剂，可以细化引气剂引入气泡的孔径，减少有害孔数量，并使混凝土中孔隙分布更均匀，有利于混凝土强度提高。

表3 硬化混凝土力学性能检测结果

图2 硬化混凝土力学性能检测结果

3.3 混凝土抗冻性能检测结果

检测试验混凝土的抗冻性能，检测结果如表4 和图3 所示。

表4 混凝土质量损失率检测结果 %

由结果可知，掺入引气剂后，混凝土的质量损失率大幅降低；同时掺入纳米 SiO2，混凝土的质量损失率有所下降，且下降幅度随掺量的提高而增加。引气剂引入的大量微小气泡为混凝土内水的液固相变引起的体积膨胀提供了缓冲空间[1,4]；纳米 SiO2的掺入使气泡的孔径细化，在混凝土中的分布更加均匀，对混凝土内水的相变引起的体积膨胀的缓解作用进一步提高，从而使得混凝土的抗冻性能有所提高。

图3 混凝土质量损失率检测结果

4 结论

（1）与胶凝材料相比，纳米 SiO2具有更大的比表面积，掺入混凝土中将吸附大量的水，从而导致混凝土的工作性能大幅下降。

（2）纳米 SiO2可以细化引气剂引入气泡的孔径，使其在混凝土中分布更加均匀，混凝土的含气量基本无变化，而抗压强度有所提高；同时可以提高对混凝土内水的相变引起的体积膨胀的缓解作用，从而提高混凝土抗冻性能。