于文勇，孫 凌，丁劍霆，王慧穎，石桂梅

(黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

納米SiO2橋梁混凝土抗鹽凍剝蝕性能試驗研究

于文勇，孫 凌，丁劍霆，王慧穎，石桂梅

(黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

寒冷地區(qū)橋梁混凝土由于除冰鹽的使用使得引起的鹽凍剝蝕破壞，導致混凝土結構提前喪失使用功能。將納米SiO2加入到橋梁混凝土中進行抗鹽凍性能試驗研究, 結果表明：由于納米微粉與納米級水化C-S-H凝膠大量鍵合，把松散的水化硅酸鈣凝膠變成納米微粉為核心的網狀結構，使得混凝土更加密實，摻加一定量的納米SiO2混凝土較空白混凝土抗鹽凍剝蝕性能有較大地提高。

納米SiO2；橋梁混凝土；鹽凍剝蝕；抗鹽凍性能

在寒冷地區(qū)，由于冬季降雪，為保證正常運營，經常在路面、橋面使用除冰鹽，由此帶來非常嚴重的耐久性破壞——鹽凍剝蝕破壞[1-2]；沿海地區(qū)處于海水中的橋墩經受的條件則更加惡劣——海水腐蝕、鹽凍破壞，嚴重地引起鋼筋銹蝕，保護層剝落，導致混凝土結構提前喪失功能[3]。無論是路面混凝土、橋面鋪裝混凝土還是海水中的混凝土橋墩，其鹽凍破壞都較普通的凍融破壞更加嚴重[4]。

本文將納米材料加入到橋梁混凝土中，利用納米粒子巨大的比表面和特殊的表面特性，使選用的納米微粉與納米級水化C-S-H凝膠大量鍵合，把松散的水化硅酸鈣凝膠變成納米微粉為核心的網狀結構，使得混凝土更加密實，減少腐蝕介質的侵入，提高橋梁混凝土抗鹽凍性能[5-6]。

1 原材料選擇及試件制備

1.1 原材料

水泥：試驗研究選用哈爾濱水泥廠PO42.5級普通硅酸鹽水泥，3 d抗壓強度和抗折強度分別為27.3 MPa、4.0 MPa。28 d抗壓強度和抗折強度分別為47.6 MPa、7.3 MPa，主要化學成分見表1。其他指標符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)要求。

粉煤灰：呼蘭第三發(fā)電廠燃燒煤粉產生的粉狀殘渣。它的主要成分是SiO2、Al2O3和Fe2O3，這3種成分的總含量大于70%,見表2。

表1 42.5級普通硅酸鹽水泥的主要化學組成

表2 粉煤灰化學成分

納米材料：選用杭州萬景新材料有限公司產品納米氧化硅，白色粉末，SiO2含量大于99.9%,比表面積為200±30 m2/g。

外加劑：選用黑龍江科曼建筑材料有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，減水率15%。

砂：產自玉泉砂場，砂細度模數為2.3，級配滿足Ⅱ區(qū)要求，其他各項指標滿足《公路橋涵施工技術規(guī)范》(JTG/T F50-2011)Ⅱ類砂要求。

碎石：選自賓縣賓西料場， 31.5～4.75連續(xù)級配，其他各項指標滿足《公路橋涵施工技術規(guī)范》(JTG/T F50-2011)Ⅱ類碎石要求。

1.2 混凝土配合比

本試驗研究分別制備了C40空白混凝土、摻粉煤灰混凝土和納米SiO2混凝土，粉煤灰摻量為20%，納米氧化硅摻量分別為水泥用量的0.5%、1.0%、2.0%、3.0%，等量替代水泥，編號分別為H0、HF、HS1、HS2、HS3、HS4，配合比見表3。

表3 1 m3混凝土各材料用量

2 單面凍融試驗

2.1 試件成型與養(yǎng)護

按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082-2009)進行單面凍融試驗，按前述配合比成型單面凍融試驗用試件。首先制備尺寸150 mm×150 mm×150 mm試件，試件編號同前。在水中養(yǎng)護7 d后取出，對試件進行切割得到尺寸150 mm×110 mm×70 mm的單面凍融試驗用試件。在室溫下放置至24 d，除測試面和與測試面相平行的頂面外，涂以硅膠固化劑密封，密封后的試件置于溫度為(20±2)℃，相對濕度為(65±5)%的實驗室中至28 d，準備試驗[7]。

2.2 試驗方案

將密封干燥并至28 d齡期的試件放置于單面凍融試驗機的試件盒內，盒內底部有5 mm不吸水墊條，向試驗盒內加入試驗溶液，試驗溶液采用質量比為97%蒸餾水和3%NaCl配制而成。使試件預吸水7 d，預吸水過程中保持液面高度為(10±1) mm，如圖1所示。凍融循環(huán)過程如圖2所示。

圖1 試驗盒內的單面凍融試件

圖2 凍融循環(huán)過程

每4個循環(huán)進行一次測定，分別測量試件的剝落物質量；超聲波在耦合劑中的傳播時間、凍融試驗前超聲波在試件和耦合劑中的總傳播時間和經N次凍融循環(huán)后超聲波試件和耦合劑中的總傳播時間。本文研究N次凍融循環(huán)后試件表面鹽凍剝蝕情況及試件單位表面面積剝落物總質量，評定試件抗鹽凍剝蝕性能。

3 試驗結果及分析

3.1 外觀破損

當凍融循環(huán)出現下面3種情況時，可停止試驗：1)達到28次凍融循環(huán)時；2)試件單位表面面積剝落物總質量大于1 500 g/m2；3)試件的超聲波相對動

彈模量降低到80%時[7]。為進一步評定納米SiO2對橋梁混凝土性能的影響，本試驗進行了40次凍融循環(huán)，對試件表面破損情況及試件單位表面面積剝落物總質量進行分析，評定摻加納米SiO2橋梁混凝土抗鹽凍剝蝕性能。圖3、圖4分別是16個循環(huán)和40個循環(huán)后空白混凝土與納米混凝土的外觀破損對比。

3.2 試驗結果

測定N次凍融循環(huán)后，單個試件單位測試表面面積剝落物質量按式(1)計算總質量mn，結果列于表4。由于在12次凍融循環(huán)之前，試件破損及單位表面積剝落物質量差別不大，此處沒有，不做分析。

(1)

圖3 16次循環(huán)后試件表面剝蝕對比

圖4 40次循環(huán)后試件表面剝蝕對比

3.3 試驗結果分析

單邊凍融試驗經過16次循環(huán)，外觀差異較大，編號H0、HF試件表面都已剝落，HS3外觀破損最小，40次凍融循環(huán)后編號H0、HF試件表面破損非常嚴重，納米混凝土試件表面還較完整，其中納米SiO2摻量2%，編號為HS3的試件表面破損狀況最輕。分析原因，這是因為普通混凝土中骨料與水泥石界面孔隙較多，且水泥石內部有大量微裂紋，形成的界面結構不均勻，不致密[8]。普通水泥本身的顆粒粒徑通常在7～200 μm。水泥水化過程中生成的主要產物水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)，其尺寸在納米級范圍(平均粒徑10 nm)，約占整個水化產物的70%。而水化過程中形成的毛細孔，則由水化物之間的氣泡、裂縫組成，其尺寸在100 nm和幾個毫米之間。

水在材料中的遷移有3種方式：毛細作用、擴散作用及在壓力梯度下的滲透[9]。在混凝土中，毛細作用是水滲透的主要方式[10]，為鹽凍破壞提供條件，因此，在相同條件下，空白混凝土鹽凍剝蝕比納米混凝土更為嚴重。

表4 N次凍融循環(huán)后單個試件單位測試表面面積剝落物總質量 g/m2

經過不同凍融循環(huán)次數后，試件單位表面積剝落物總量對比如圖5所示。

通過表4和圖5分析，16次、20次、24次單面凍融循環(huán)后，空白混凝土、摻粉煤灰混凝土、不同摻量的納米混凝土單位表面面積剝落物總質量均小于1 500 g/m2，都能滿足規(guī)范(GB/T50082-2009)要求，經過28次凍融循環(huán)后空白混凝土、粉煤灰混凝土單位表面面積剝落物總質量已經大于1 500 g/m2，按規(guī)范要求已經不能滿足使用要求。納米SiO2摻量為1.0%、2.0%、3.0%的納米混凝土兩項指標仍滿足要求。

摻加納米材料后，由于納米材料對孔隙的填充和孔徑的細化作用，阻斷了混凝土內部孔隙的連通，加之納米礦粉能與納米級水化產物大量鍵合，并以納米礦粉為晶核，在其顆粒表面形成水化硅酸鈣凝膠相，把松散的水化硅酸鈣凝膠變成納米礦粉為核心的網狀結構，因此，形成的界面結構較均勻致密，減小了孔隙水結冰的凍脹作用，使混凝土耐久性得到較大的改善。

32次凍融循環(huán)后，只有納米SiO2摻量為1.0%、2.0%的納米混凝土單位表面面積剝落物總質量滿足不大于1 500 g/m2的要求，40次凍融循環(huán)后雖然所有配比的混凝土都已超出指標要求，但納米SiO2摻量為1.0%、2.0%的納米混凝土仍優(yōu)于不摻納米材料的混凝土。

4 結 論

1)以納米材料等量代替水泥制備納米混凝土，鹽凍試驗結果表明，經過相同凍融循環(huán)后，抗表面剝蝕能力有較大的提高。

2)空白混凝土經過28次凍融循環(huán)后，單位表面面積剝落物總質量超過1 500 g/m2，已不能滿足規(guī)范要求，納米SiO2摻量為1.0%、2.0%的納米混凝土經過32次凍融循環(huán)后單位表面面積剝落物總質量小于1 500 g/m2，此項指標凍融循環(huán)次數較空白混凝土提高8次，即提高30以上。

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A study of iced-scaling resistance to sulfates of bridge building concrete mixed nano SiO2

YU Wenyong，SUN Ling，DING Jianting，WANG Huiying，SHI Guimei

(Heilongjiang Instiute of Technology,Harbin150050,China)

During winters in cold regions,bridge building concrete will suffer iced scaling of sulfates caused by deicing stuffs using, which makes life of concrete structures shorter than normal. When nano-SiO2is mixed in bridge building concrete, as nano-powder and gel of nano-grade hydrated C-S-H bonds together,this turns hydrated calcium silicate gel to structure nets connected and cored with powders, which makes the concrete more density, so concrete mixed with nano-SiO2will be of higher on freezing resistance to normal concrete.

nano-SiO2;bridge building concrete;iced scaling resistance;performance to freezing resistance of sulfates

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.06.007

2017-07-14

哈爾濱市科技局科技創(chuàng)新人才項目(2014RFXXJ115)；龍建路橋股份有限公司重點科技項目(LJKY008-2016)

于文勇(1964-)，男，高級實驗師，研究方向：土木工程材料.

TU528.37

A

1671-4679(2017)06-0034-04

[責任編輯：郝麗英]