趙東方

(鐵嶺市昌圖縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鐵嶺 112500)

水工建(構(gòu))筑物受含砂高速水流的沖磨作用是磨損破壞混凝土表面的重要因素，這也是水利工程普遍存在的一種病害，磨蝕破壞對(duì)工程的安全運(yùn)行直接造成威脅，工程的修補(bǔ)耗資巨大[1-2]。一般地，有兩種途徑能夠有效防止和減輕水工混凝土磨蝕破壞：①盡量選用耐磨性較好的材料建設(shè)過流位置處的水工建(構(gòu))筑物；②盡量?jī)?yōu)化工程結(jié)構(gòu)和位置使過流位置的水流順直。研究表明，硅粉作為一種外加材料能夠有效提升混凝土抗沖耐磨性，將適量的硅粉摻入水工混凝土中能夠明顯改善其力學(xué)性能和抗沖耐磨能力。然而，拌合物用水量受硅粉摻量非常敏感，摻量過大將明顯增加漿料用水量以及水泥用量，這既提高了材料造價(jià)又突出了混凝土易開裂、干縮變形大的缺點(diǎn)。

納米材料作為一種新興的改性添加劑，因具有微觀效應(yīng)、火山灰效應(yīng)、界面效應(yīng)、比表面積大等特質(zhì)被廣泛應(yīng)用于混凝土性能優(yōu)化方面，為改善水工混凝土性能諸國內(nèi)諸多學(xué)者致力于納米材料的應(yīng)用研究。因此，在延長材料使用壽命、防止干燥收縮、改善水工結(jié)構(gòu)力學(xué)性能等方面納米材料具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。研究表明，摻入玄武巖纖維、納米改性礦物添加劑和二氧化硅SiO2能夠提高材料的抗碳化性、抗?jié)B性、抗凍性、耐磨性和力學(xué)性能，而納米SiC和SiO2材料還能在一定程度上改善其抗彎性能，延長理論疲勞壽命。馮雪等探討了新鮮水泥漿的凝結(jié)時(shí)間和稠度受硅粉與納米SiO2的影響，結(jié)果顯示納米材料可以加速水泥漿水化過程，使水泥漿稠度變大，納米SiO2含量增大時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的增長幅度低于其鍵合強(qiáng)度；范玉輝、黃征宇等研究發(fā)現(xiàn)，超高性能混凝土的力學(xué)性能隨納米材料添加量和應(yīng)變率的增加而增大。目前，利用納米顆粒替代部分水泥摻入混凝土的研究越來越多，而對(duì)水工混凝土耐磨性受不同納米顆粒的影響研究還較少。因此，文章利用微量納米顆粒和中量超細(xì)粉煤灰制備水工混凝土，探討了不同納米顆粒含量對(duì)混凝土抗沖磨性的影響，并在此基礎(chǔ)上揭示了納米顆粒的作用機(jī)理，旨在為耐沖磨、高強(qiáng)度水工混凝土設(shè)計(jì)提供實(shí)踐參考[3-4]。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料準(zhǔn)備

混凝土粗、細(xì)骨料選用遼寧海城的礫石和連續(xù)級(jí)配河砂，最大骨料粒徑25.0，經(jīng)破碎與篩分配成粒徑5-25mm的粗骨料和0-5mm的細(xì)骨料。試驗(yàn)采用P·O42.5級(jí)水泥作為膠凝材料，28d抗彎強(qiáng)度8.0MPa，抗壓強(qiáng)度48.2MPa，比表面積340m2/kg。試驗(yàn)選用UFA超細(xì)粉煤灰，比表面積560m2/kg，粉煤灰與水泥的化學(xué)成分見表1。納米材料選用浙江亞美納米碳化硅NC和上海杜瓦納米二氧化硅NS，化學(xué)成分見表2。

表1 粉煤灰與水泥的化學(xué)成分 %

表2 納米材料的性能指標(biāo)

1.2 測(cè)試方法

水工混凝土配制時(shí)用18%的UFA超細(xì)粉煤灰和1%、2%、3%的納米材料等量替代水泥，從而制備納米改性混凝土。其中，水泥砂漿的耐磨性直接決定了水工混凝土的耐磨性，因此納米材料的最優(yōu)摻量區(qū)間確定時(shí)應(yīng)考慮水泥砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，在此基礎(chǔ)上測(cè)試不同配合比的混凝土耐磨性。依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》測(cè)試試樣的強(qiáng)度，將制備成的160mm×40mm×40mm試件放入相對(duì)濕度>90%、溫度(20±2)℃的恒溫箱，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d測(cè)試抗壓和抗彎強(qiáng)度[5-7]。

水工混凝土的抗沖磨性利用試驗(yàn)規(guī)程推薦的鋼球法測(cè)試，試樣尺寸150mm×150mm×150mm，試驗(yàn)前先將試件表面磨平并涂抹厚約2mm的改性環(huán)氧砂漿，室溫養(yǎng)護(hù)7d按操作流程完成沖磨試驗(yàn)，磨損率以試驗(yàn)前后試樣的質(zhì)量損失計(jì)算，每個(gè)周期持續(xù)時(shí)間72h。

2 結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

納米材料的最優(yōu)摻量區(qū)間可以依據(jù)水泥砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果來確定，然后按照該區(qū)間利用納米材料等量替代水泥，從而制備單摻NC、單摻NS和雙摻NC-NS三種納米改性混凝土，并在此基礎(chǔ)上測(cè)試其力學(xué)特性。水泥砂漿配合比見表3，強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見圖1、圖2。

表3 水泥砂漿試驗(yàn)配合比

由圖1可知，對(duì)提高水泥砂漿強(qiáng)度納米材料NC和NS均有積極作用，即單摻NC、NS納米材料有利于增強(qiáng)砂漿的抗壓和抗彎強(qiáng)度。NS處于0-3%摻量區(qū)間時(shí)，水泥砂漿的抗壓與抗彎強(qiáng)度均隨著摻量的增大呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)，所以NS的最優(yōu)摻量為2%；NC處于1%-3%摻量區(qū)間時(shí)，水泥砂漿的抗壓與抗彎強(qiáng)度均表現(xiàn)出增大趨勢(shì)，若持續(xù)增加NC摻量可以預(yù)測(cè)到砂漿強(qiáng)度曲線將出現(xiàn)拐點(diǎn)，所以NC的最優(yōu)摻量為3%。

圖2表明，對(duì)于改善水泥砂漿強(qiáng)度雙摻納米材料要優(yōu)于單摻，E-1組的抗壓和抗彎強(qiáng)度最高。

(a)抗彎強(qiáng)度 (b)抗壓強(qiáng)度

2.2 抗沖耐磨試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)納米材料的最優(yōu)摻量區(qū)間確定混凝土配合比，見表4，并以此測(cè)定納米材料改性混凝土的抗磨性能，見圖3。

表4 納米材料改性混凝土配合比 kg/m3

由圖3可知，參照組的混凝土磨損量明顯低于摻納米材料組，即納米材料的摻入能夠有效增強(qiáng)混凝土的耐磨性，并且混凝土磨損量隨NC、NS單摻含量的增大而逐漸下降，單摻NC的磨損量下降率更低，其耐磨性優(yōu)于NS。納米材料NS處于0-3%摻量區(qū)間時(shí)，混凝土磨損量曲線隨含量的增加呈現(xiàn)出先減小再增大的變化趨勢(shì)，摻量為2%時(shí)的磨損量最小為1.35kg/m2，較對(duì)照組下降了48.5%；納米材料NC摻量達(dá)到3%時(shí)混凝土的磨損量達(dá)到最小為0.82kg/m2，較對(duì)照組下降了68.70%。

依據(jù)以上分析結(jié)果，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)4種不同配合比制備雙摻納米材料混凝土試樣，如表5所示，并測(cè)試耐沖磨性能，如圖4所示。

(a)磨損率 (b)磨損量下降速率

表5 雙摻NC與NS混凝土配合比

從圖4可以看出，雙摻納米材料的4組混凝土磨損量下降率較對(duì)照組均超過50%，其最高可以達(dá)到78%，并且各明顯高于單摻組。因此，混凝土雙摻納米材料優(yōu)于單摻的耐沖磨性能，其中磨損量最小的SS-3組只有0.57kg/m2，而SS-1組和SS-3組的磨損率下降幅度均高于單摻最優(yōu)含量組合的SS-4組，并且SS-2組的磨損量也高于SS-1組，由此表明納米材料NS改善混凝土耐磨性的作用要低于NC。

(a)磨損率 (b)磨損量下降率率

2.3 納米顆粒改性機(jī)理

研究表明，改善砂漿界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和提高水泥砂漿強(qiáng)度是增強(qiáng)混凝土耐沖磨性的關(guān)鍵，通過觀察水泥砂漿微觀結(jié)構(gòu)揭示了水泥砂漿受納米材料的影響機(jī)理。結(jié)果顯示，無納米顆粒試樣中水化硅酸鈣CSH排列松散，大量的針狀鈣礬石晶體AFt和少量立方型氫氧化鈣晶體CH分布在微觀結(jié)構(gòu)表面，這些大量存在的AF他致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了薄弱區(qū)域。納米顆粒的加入不僅能夠改善CH的各向異性程度以及水化后膠結(jié)材料的分布，而且能夠促進(jìn)水泥基材料水化。含有NS的水泥砂漿試樣無明顯的立方型CH和針狀A(yù)Ft，水化產(chǎn)物質(zhì)地緊密且排列整齊，這主要與納米材料的骨料填充、火山灰和表面效應(yīng)有關(guān)。納米顆粒的表面能高、比表面積大且體積小，水泥漿體硬化過程中大量水化產(chǎn)物和NS覆蓋了球形UFA顆粒表面，隨著時(shí)間的推移NS的火山灰效應(yīng)逐漸發(fā)揮作用，并在水化物外形成厚實(shí)的表層。此外，NC有利于加速早期水泥水化，從而使得硬化水泥黏貼更緊湊以及混凝土的抗沖磨能力更強(qiáng)。但水泥砂漿中納米顆粒間的間距會(huì)隨著納米材料含量的持續(xù)增加逐漸減小，CH晶粒的生長空間在一定程度上被壓縮，硬化的水泥變得疏松，并使得耐沖磨性下降[8]。

3 結(jié) 論

文章探討了水工混凝土耐沖磨性和強(qiáng)度受納米顆粒的影響，并進(jìn)一步揭示了納米顆粒的作用機(jī)理，主要結(jié)論如下：

1)納米顆粒的加入會(huì)明顯提高粉煤灰水工混凝土的抗壓和抗彎強(qiáng)度，單摻2%的NS、單摻3%的NC和雙摻2%NC與2%NS的性能最佳。沖磨試驗(yàn)表明，納米顆粒的摻入明顯提高了混凝土的耐沖磨性，大大降低了磨損率，混凝土單摻的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雙摻。

2)納米材料的骨料填充、火山灰和表面效應(yīng)是影響混凝土耐沖磨性能的關(guān)鍵，納米顆粒的表面能高、比表面積大且體積小，二次水化時(shí)能夠與CH反應(yīng)達(dá)到改善水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)的目的。同時(shí)，納米顆粒具有填充骨料孔隙提高水泥漿體密實(shí)度的作用，使硬化水泥黏貼更緊湊以及混凝土的抗沖磨能力更強(qiáng)[9-10]。