彭沖

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510507)

水泥混凝土由于高強(qiáng)度、低成本等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于公路交通行業(yè)，成為交通領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的最主要原材料。隨著中國交通強(qiáng)國建設(shè)及“十四五”規(guī)劃的全面展開，水泥混凝土必將繼續(xù)為中國公路交通建設(shè)發(fā)揮至關(guān)重要的作用。然而傳統(tǒng)水泥混凝土已難以滿足現(xiàn)代化建設(shè)的需要，極易出現(xiàn)各種耐久性病害，成為水泥混凝土現(xiàn)代化發(fā)展的重要掣肘[1-4]。納米材料由于其較小的尺寸優(yōu)勢，能夠充分填充混凝土內(nèi)部的微小孔隙，從而改善混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能及耐久性能[5-8]。

納米偏高嶺土(NMK)作為成本較低的納米材料，由工業(yè)礦物高嶺土煅燒制備而來，主要由四面體和八面體配位的二氧化硅和氧化鋁組成。與高嶺土相比，其比表面積更小，表面更加光滑，棱角及銳邊形狀也得到了改善，因此NMK不僅具有納米材料的尺寸優(yōu)勢，并且擁有獨(dú)特的火山灰效應(yīng)及晶核效應(yīng)。在混凝土內(nèi)部，納米偏高嶺土不僅自身能夠填充孔隙，而且能夠與Ca(OH)2晶體反應(yīng)生成C-S-H等水化產(chǎn)物，從而提高膠凝材料水化程度，增強(qiáng)混凝土密實(shí)程度，提升混凝土的強(qiáng)度及韌性[9-12]。Hodhod等[13]用5%～9%的納米偏高嶺土取代水泥研究其改性混凝土的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果顯示隨著納米偏高嶺土摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，分析減小的原因可能是納米偏高嶺土的結(jié)團(tuán)效應(yīng)導(dǎo)致了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變差，并認(rèn)為納米偏高嶺土的最優(yōu)摻量為7%；Al-Salami等[14]也得出了相似的結(jié)論，但納米偏高嶺土最佳摻量為10%，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度可分別提高48%、36.2%。張鈞良等[15-17]研究發(fā)現(xiàn)：納米偏高嶺土不僅能夠提升混凝土的力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)可以改善混凝土的抗裂性，提高混凝土的起裂韌度，延緩其起裂時(shí)間，增大其斷裂能；郭曉玉[18]、范穎芳[19]等研究發(fā)現(xiàn)：5%納米偏高嶺土摻量便可將水泥砂漿和水泥混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別降低53.03%、18.87%，同時(shí)將混凝土的抗壓強(qiáng)度提高28.4%；Fan[20]、張金山[21]等研究發(fā)現(xiàn)：納米偏高嶺土同樣可以提高混凝土的抗凍性，NMK混凝土凍融后的質(zhì)量損失、彈性模量損失、強(qiáng)度損失均明顯小于基準(zhǔn)組混凝土，100次凍融循環(huán)后，10%的NMK摻量即可將混凝土的質(zhì)量損失及強(qiáng)度損失分別降低33.7%、49.76%。

綜上所述，納米偏高嶺土在水泥混凝土中具有廣闊的應(yīng)用前景，憑借其尺寸效應(yīng)、火山灰效應(yīng)及晶核效應(yīng)，在混凝土內(nèi)部促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，提高水泥水化進(jìn)程，生成更多穩(wěn)定的水化產(chǎn)物，提升混凝土的致密性，改善其孔結(jié)構(gòu)，因此可以有效提高混凝土的力學(xué)強(qiáng)度、斷裂性能、抗?jié)B性能及抗凍性能。然而納米偏高嶺土改性混凝土的干燥收縮較為嚴(yán)重[15]，但在水分較多地區(qū)可以得到有效緩解，然而這些地區(qū)混凝土往往受到較嚴(yán)重的腐蝕及碳化危害，因此納米偏高嶺土能否在南方地區(qū)得到良好的應(yīng)用，其對(duì)混凝土的抗腐蝕性能及碳化性能的影響亟待研究?；诖?，該文以腐蝕后的力學(xué)強(qiáng)度、斷裂韌度、斷裂能、碳化深度、碳化等級(jí)作為參數(shù)指標(biāo)，針對(duì)不同摻量水平下納米偏高嶺土改性混凝土的抗腐蝕及抗碳化性能進(jìn)行研究，并對(duì)改性混凝土的疲勞性能進(jìn)行研究，最終得出納米偏高嶺土對(duì)混凝土耐久性的影響規(guī)律。研究結(jié)果將為納米偏高嶺土在水泥混凝土中的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)配置混凝土所用粗集料為花崗巖碎石，其粒徑為4.75～19 mm，分為兩檔，堆積密度最大時(shí)4.75～9.5 mm與9.5～19 mm粒徑的比例為4∶6。細(xì)集料采用河砂，其細(xì)度模數(shù)為2.69，含泥量為0.6%，表觀密度為2.62 g/cm3。為提高混凝土工作性，選用27%減水率及3.0%含氣量的聚羥酸高性能減水劑作為外加劑。同時(shí)選用P.O42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，其礦物組成及物理力學(xué)性能分別如表1、2所示。試驗(yàn)所用納米偏高嶺土礦物組成及物理力學(xué)性能如表3、4所示。

表3 納米偏高嶺土礦物組成 %

表4 納米偏高嶺土物理力學(xué)性能

1.2 配合比設(shè)計(jì)

為研究納米偏高嶺土摻量對(duì)水泥混凝土腐蝕性能、碳化性能及疲勞性能等耐久性能的影響，試驗(yàn)配置C40強(qiáng)度等級(jí)的混凝土作為基礎(chǔ)混凝土，其水膠比W/B=0.32?；诂F(xiàn)有研究成果，納米偏高嶺土改性混凝土的力學(xué)強(qiáng)度及抗?jié)B、抗凍等性能最優(yōu)時(shí)的摻量為5%～10%，因此此次試驗(yàn)以5%、6%、7%、8%、9%、10%納米偏高嶺土等比例替代水泥進(jìn)行研究，并設(shè)置無納米偏高嶺土混凝土作為對(duì)照組。具體設(shè)計(jì)的混凝土配合比如表5所示。

表5 混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 腐蝕試驗(yàn)

研究采用pH=4的模擬酸雨進(jìn)行混凝土腐蝕試驗(yàn)，模擬酸雨溶液通過98%濃硫酸和65%濃硝酸進(jìn)行配制，并通過分析純硫酸氨控制當(dāng)量濃度比為1.37。試驗(yàn)過程采用周期浸泡法，將混凝土浸泡于模擬酸雨中10 h然后取出自然晾干14 h為一個(gè)腐蝕循環(huán)。

試驗(yàn)力學(xué)強(qiáng)度及斷裂性能測試分別成型100 mm×100 mm×100 mm立方體試件及100 mm×100 mm×400 mm小梁試件。試件成型后放置于恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)至28 d，根據(jù)廣州市近年來的年平均氣溫及相對(duì)濕度，控制養(yǎng)護(hù)溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為80%。然后將試件進(jìn)行10～80次的酸雨腐蝕循環(huán)，并按照相關(guān)規(guī)范測試其初始及每10次循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、斷裂性能。試驗(yàn)過程中取3組平行試驗(yàn)測試結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。利用式(1)～(3)計(jì)算混凝土的斷裂韌度及斷裂能。

(1)

(2)

式中：KIC為斷裂韌度(MPa·m1/2)；Fmax為試驗(yàn)最大荷載(N)；S為試件的跨度(mm)；h為試件高度(mm)；t為試件寬度(mm)；a為預(yù)裂縫深度(mm)。

(3)

式中：Gf為斷裂能;W0為斷裂功(N·mm)；m=0.75M，M為28 d齡期時(shí)試件的總質(zhì)量；g為重力加速度，取為9.8 m/s2；Alig為韌帶面積(mm2)，Alig=(h-a0)b，h為試件高度；a0為預(yù)裂高度；b為試件寬度(mm)；δ0為跨中最大位移(mm)。

1.3.2 碳化試驗(yàn)

碳化試驗(yàn)成型100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件，80%相對(duì)濕度環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d后按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的碳化試驗(yàn)進(jìn)行測試。試驗(yàn)中每組設(shè)置3個(gè)平行試件。

通過酚酞法對(duì)混凝土碳化深度進(jìn)行表征，并利用式(4)計(jì)算混凝土7、14及28 d的碳化深度值，參考GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)混凝土抗碳化性能等級(jí)進(jìn)行劃分。

(4)

1.3.3 疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)分別選擇50%、65%、80%抗彎拉強(qiáng)度作為3種不同應(yīng)力水平等級(jí)，試驗(yàn)儀器采用MTS Landmark萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)過程中加載頻率為10 Hz，低高應(yīng)力比為0.1，加載方式為三分點(diǎn)正弦波加載，試驗(yàn)以試件最終斷裂時(shí)的次數(shù)作為試件疲勞壽命的最終判定標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐蝕后力學(xué)強(qiáng)度

納米偏高嶺土對(duì)混凝土腐蝕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度及抗彎拉強(qiáng)度的影響結(jié)果如圖1所示。

圖1 腐蝕循環(huán)后混凝土力學(xué)強(qiáng)度

由圖1可以看出：未經(jīng)受腐蝕循環(huán)時(shí)，納米偏高嶺土便可顯著提升混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗彎拉強(qiáng)度，5%、6%、7%、8%、9%、10%摻量的NMK可分別提高混凝土抗壓強(qiáng)度14.6%、16.7%、18.9%、20.4%、21.5%、19.3%及抗彎拉強(qiáng)度10.1%、11.4%、11.8%、12.7%、13.5%、13.9%。這主要得益于納米偏高嶺土的水化提升作用，生成更多的水化產(chǎn)物，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，從而提高混凝土的力學(xué)性能。

酸雨腐蝕循環(huán)后，各組混凝土的力學(xué)性能均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這可能是由于腐蝕前期，模擬酸雨溶液中的SO42-浸入混凝土內(nèi)部，與未完全水化的Ca2+反應(yīng)生成鈣礬石及石膏等，進(jìn)一步加強(qiáng)了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且此時(shí)SO42-對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化作用強(qiáng)于H+等腐蝕離子對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞作用，因此在不同程度上提升了混凝土的力學(xué)強(qiáng)度。從圖1可以看出：基準(zhǔn)組混凝土經(jīng)受30次腐蝕循環(huán)后其力學(xué)強(qiáng)度便開始下降，但摻入NMK后，混凝土的力學(xué)強(qiáng)度變化拐點(diǎn)能夠延緩10次左右的腐蝕循環(huán)，且在力學(xué)強(qiáng)度下降階段，NMK的摻入可以明顯減緩混凝土的強(qiáng)度損失速率，6種摻量下其改性混凝土80次腐蝕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度損失率均較基準(zhǔn)組減少15%左右，抗彎拉強(qiáng)度損失率分別降低9.5%、9.8%、12.9%、12.5%、11.8%、11.2%。究其原因在于：納米偏高嶺土憑借自身良好的填充作用改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，且其火山灰效應(yīng)促進(jìn)水化反應(yīng)，提高膠凝材料水化程度，生成更多的水化產(chǎn)物，進(jìn)一步增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，二者綜合作用使得混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)得到細(xì)化，較大孔隙數(shù)量大大減少，微孔隙數(shù)量增多，阻斷了聯(lián)通孔隙，因此能夠有效延緩甚至阻止侵蝕離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而顯著提高混凝土的抗腐蝕性能。

2.2 腐蝕后斷裂特征

圖2為經(jīng)歷80次腐蝕循環(huán)后混凝土的斷裂韌度及斷裂能損失率計(jì)算結(jié)果。

圖2 腐蝕循環(huán)后混凝土斷裂韌度及斷裂能損失率

由圖2可以看出：納米偏高嶺土的摻入不僅能夠提升混凝土經(jīng)受酸雨腐蝕后的力學(xué)強(qiáng)度，而且能夠顯著改善混凝土腐蝕后的斷裂性能。6種NMK摻量下其改性混凝土80次循環(huán)腐蝕后斷裂韌度損失率及斷裂能損失率均較基準(zhǔn)組減少30%以上。隨著納米偏高嶺土替代量的增加，其改性混凝土腐蝕后的斷裂韌度損失率及斷裂能損失率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在7%、8%替代量水平下，其斷裂性能最優(yōu)。原因可能在于NMK的火山灰作用生成大量水化產(chǎn)物，使得混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，不僅提高了混凝土的抗離子侵蝕能力，且能夠通過晶核作用將松散的水化產(chǎn)物固結(jié)在NMK顆粒周圍，并形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使得混凝土微觀結(jié)構(gòu)更加致密且均勻，從而提高混凝土的韌性，最終表現(xiàn)出混凝土斷裂性能的增強(qiáng)。當(dāng)NMK代替量較大時(shí)，NMK在混凝土中難以分散均勻，甚至出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，也因此導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻性變差，從而使得摻量較大的NMK改性混凝土斷裂韌度及斷裂能降低。另一方面，摻量較大時(shí)，NMK對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的改善作用變差，使得抵抗離子侵蝕能力相比7%、8%摻量時(shí)較差，其抗腐蝕性能隨之降低，表現(xiàn)為腐蝕循環(huán)后的混凝土斷裂韌度損失率及斷裂能損失率增大。

2.3 碳化性能

混凝土7、14、28 d的碳化深度及抗碳化等級(jí)結(jié)果如圖3所示。

圖3 NMK對(duì)混凝土碳化性能的影響

由圖3可知：6種摻量下NMK改性混凝土7 d時(shí)的碳化深度相較基準(zhǔn)組分別減少14.8%、23.0%、36.1%、31.1%、24.6%、24.8%，14 d時(shí)碳化深度相較基準(zhǔn)組分別減少9.3%、13.3%、22.7%、24%、20%、21.3%，28 d時(shí)碳化深度相較基準(zhǔn)組分別減少21%、21.8%、32.3%、31.5%、28.2%、29%。由此可見：納米偏高嶺土對(duì)混凝土的抗碳化性能具有顯著的改善作用，6種摻量的NMK均可在28 d齡期時(shí)降低混凝土20%以上的碳化深度。其中7%、8%摻量下，NMK更是可以降低混凝土30%以上的碳化深度。雖然NMK摻量較高時(shí)其改性混凝土的碳化深度出現(xiàn)了小幅度的增大，但仍較基準(zhǔn)組減少20%以上，且6種NMK改性混凝土的抗碳化等級(jí)也均比無NMK組混凝土提高1級(jí)。其原因主要在于NMK摻入后，通過自身尺寸效應(yīng)、火山灰效應(yīng)、晶核效應(yīng)等一系列的物理及化學(xué)填充作用，阻擋了CO2入侵的途徑，減少了CO2入侵的可能性；另一方面，NMK的火山灰作用消耗掉了更多的Ca2+，降低了CO2侵入混凝土內(nèi)部后造成碳化的可能性。在此綜合作用下，混凝土的碳化深度被大大減小，混凝土的抗碳化等級(jí)被有效提高。然而NMK摻量較大時(shí)，混凝土的收縮較大，導(dǎo)致出現(xiàn)一定的微小裂紋，在一定程度上給CO2提供了入侵的通道，最終導(dǎo)致?lián)搅枯^大時(shí)混凝土的碳化深度有少許增大。

2.4 疲勞性能

混凝土在0.50、0.65、0.80應(yīng)力水平下的疲勞壽命結(jié)果如圖4所示。

圖4 疲勞壽命結(jié)果

由圖4可知：NMK的摻入對(duì)混凝土的疲勞壽命也有明顯的提升作用，7%及8%摻量的NMK在0.5、0.65、0.8應(yīng)力水平下最高可提升混凝土1倍以上的疲勞壽命。其原因可能在于NMK的摻入對(duì)膠凝材料的水化程度及混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)方面都有了明顯的提高改善，不僅混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻穩(wěn)定，而且在NMK的優(yōu)勢特性作用下，混凝土內(nèi)部界面過渡區(qū)的力學(xué)強(qiáng)度也得到增強(qiáng)，界面過渡區(qū)韌性更高且更穩(wěn)定，同時(shí)NMK晶核增加了界面過渡區(qū)抵抗變形的能力，提升了界面過渡區(qū)抵抗微裂紋的能力，從而降低了微裂縫產(chǎn)生的可能，最終提高了混凝土的疲勞壽命。

3 結(jié)論

通過對(duì)不同替代量下納米偏高嶺土對(duì)混凝土酸雨腐蝕循環(huán)后的力學(xué)強(qiáng)度、斷裂特征及混凝土的碳化性能和疲勞性能進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1) 納米偏高嶺土能夠顯著降低混凝土經(jīng)受酸雨腐蝕后的力學(xué)強(qiáng)度損失率，6種摻量下其改性混凝土80次腐蝕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度損失率均較基準(zhǔn)組減少15%左右，抗彎拉強(qiáng)度損失率能夠降低約10%以上。

(2) 納米偏高嶺土對(duì)混凝土腐蝕循環(huán)后的斷裂性能有良好的改善作用，6種NMK摻量下其改性混凝土80次循環(huán)腐蝕后斷裂韌度損失率及斷裂能損失率均較基準(zhǔn)組減少30%以上。

(3) 納米偏高嶺土對(duì)混凝土的碳化性能具有良好的提高效果，6種摻量的NMK均可在全齡期內(nèi)降低混凝土的碳化深度，提高混凝土1級(jí)的抗碳化等級(jí)，其中28 d齡期時(shí)可降低混凝土20%以上的碳化深度。

(4) NMK的摻入對(duì)混凝土的疲勞壽命也有明顯的提升作用，7%及8%摻量的NMK在0.5、0.65、0.8應(yīng)力水平下最高可提升混凝土1倍以上的疲勞壽命。