纳米活性粉末对混凝土自愈性能影响的试验研究
时间：2023-05-31 19:50:18 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
靳洁林,徐涛,刘晓凤,李凯,徐沛保,
（1.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601；
2.安徽新基建有限公司，安徽 合肥 230001）
由于混凝土抗拉强度相对较低，开裂是一种常见现象。高拉应力可由外部荷载、施加的变形(由于温度梯度、受限收缩和差异沉降)、塑性收缩、塑性沉降和膨胀反应(如由于钢筋腐蚀、碱硅反应、硫酸盐侵蚀)等造成。如果不立即进行适当的修复，裂缝会进一步扩大，最终需要昂贵的修复费用。混凝土的耐久性也会受到这些裂缝的影响，因为它们可能会为含有有害物质的液体和气体的运输提供渗入的途径。如果裂缝扩展到钢筋，不仅混凝土本身可能受到损伤，暴露在水和氧气中的钢筋，可能被含有二氧化碳和氯化物等物质腐蚀。因此，微裂纹是结构破坏的前兆[1]。对于裂缝的修补，有多种方法可采用，但传统的修补方法有许多不利的方面。采用自修复方法修复混凝土结构的固有裂缝是目前最有前途的方法之一，特别是近十年来，许多学者对混凝土的自愈能力进行了研究。
混凝土的自愈合是由以下两种主要机制引起的：自体愈合和自主/工程愈合。混凝土中小裂缝的自愈是一个自然的过程，这与材料本身的性质和组成有关。这主要是由水泥进一步水化和碳酸钙沉淀引起的。自主愈合是一个工程愈合过程，旨在提高混凝土元素的自我愈合能力。此外，自主/工程愈合可以进一步分为“主动”和“被动”模式。“主动”模式需要人的帮助来激活机制，而“被动”模式则不需要人的干预。自主愈合的方法之一是使用自愈合外加剂，如纳米填料、纤维等。
目前使用的混凝土自愈技术[2]大多是在混凝土中掺入一些纤维[3-6]、微生物[7-9]或者是掺入含有修复剂的微胶囊[10-12]。前两种方法的目的是限制裂缝的宽度在混凝土内，而后者的目的是通过破碎的修补剂胶囊直接粘结或填补裂缝。虽然这些方法能够使得混凝土的裂缝在一定程度上愈合，但其缺点也是显而易见的。如纤维增强自愈技术所需的时间[13]；
混凝土内部的高碱性和机械搅拌的无规则强作用力,会使得微生物处于无保护状态,进而大面积死亡无法达到预期效果[14]；
微胶囊受力灵敏度的要求高[14-15]等问题。
针对上述自愈技术存在的一些问题，国内外学者开始研究纳米填料（二氧化硅、二氧化锆等）对混凝土自愈性能的影响[16-17]。Huseien等人[18]将纳米粒子称为是由化学合成而产生的材料，因此，它们可以生成结构均匀的产品和具有“完美原子和分子有序性”的纳米级晶体，从而为纳米颗粒用于自愈合水泥浆体提供了有力的证据；
Stefanidou等人[19]在混凝土中掺入纳米二氧化硅后，开裂水泥浆体在水中浸泡七天可进行自我修复，且二氧化硅的掺入有利于方解石的析出，显著降低了水泥浆体在水中的开孔率；
Tsardaka等人[20]研究发现在水泥浆体中添加纳米颗粒有利于水泥浆体的愈合，且在水中愈合速度加快；
Gohar[21]研究发现加入纳米颗粒可使混凝土具有更高的抗压强度；
Rajasegar[22]研究发现纳米二氧化硅提高了混凝土的抗压强度；
Evangelia[23]研究发现纳米氧化钙的添加减少了水通过裂缝的渗透，并提高了自愈效率，且自愈效果要好于纳米二氧化硅。
与传统自愈合技术相比，纳米填料的掺入可以改善混凝土空间网络结构，并在微尺度上控制水化产物的形态。反过来又影响混凝土裂缝的空间分布。有研究表明，纳米填料具有成核效应、吸水效应及很好的填充效应，因此，当在混凝土中掺入适量的纳米填料时，纳米粒子可以填充混凝土内部的孔隙，提高其密实度，进而提高混凝土强度，且纳米填料能够促进混凝土裂缝的自愈，但研究成果相对较少[24]。对此，本文试验研究纳米二氧化硅(NS)和纳米二氧化锆(NZ)对混凝土自愈性能的影响。通过在混凝土中分别掺入质量含量α=1.5%、2%、2.5%的NS和NZ制备得到了纳米活性粉末混凝土(NRPC)，对其进行抗压强度恢复率的试验研究，探索纳米填料的含量与种类对混凝土自愈性能的影响变化趋势。
2.1 原材料及试件制备
2.1.1 原材料
本文采用的原材料包括：水泥选用中材安徽水泥有限公司生产的P.O42.5级普通硅酸盐水泥，密度3050kg/m3,比表面积332m2/kg，初凝时间为194min，终凝时间为261min；
粉煤灰选用安徽省联合发电有限公司生产的F类Ⅰ级粉煤灰，密度2280kg/m3，细度6.1%，烧失量2.95%；
细骨料选用安徽中砂细骨料，细度模数2.7；
粗骨料选用巢湖散兵5mm～31.5mm连续级配的天然碎石，其中小石子∶大石子=20%∶80%；
矿渣粉选用安徽长江规格型号为S95的矿渣粉；
膨胀剂选用莱阳龙升的UEA混凝土膨胀剂，混凝土的15天纵向限制膨胀率＞0.02%,180天纵向限制干缩率＜0.02%，防水性能良好，达到标号P12以上；
纳米SiO2选用河北柯泽金属有限公司20nm的纳米SiO2，平均粒径纯度为99.9%，比表面积为240m2/g，体积密度为0.06g/cm3，密度为2.2g/cm3～2.6g/cm3；
纳 米ZrO2选用河北柯泽金属有限公司20nm的纳米ZrO2，平均粒径纯度为99.9%，比表面积为95m2/g，体积密度为1.98g/cm3，密度为6.0g/cm3。
2.1.2 试件制备
本文NRPC配合比按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011)来制定，分别掺入三种不同含量的NS和NZ来测定其抗压强度。具体配合比如表所示。成型的NRPC试块尺寸为150mm×150mm×150mm。每种纳米填料掺量制得三个试块，以三个试件测值的平均值作为该组试件的抗压强度试验结果。当三个试件强度中的最大值或最小值之一，与中间值之差超过中间值的15%时，取中间值。当三个试件强度中的最大值和最小值，与中间值之差均超过中间值的15%时，该组试验应重做。
NRPC配合比
制备的试样如图1所示，具体步骤如下：
图1 试样
①将钢板及铁锹清洗干净并保持一定的湿润度；
②将纳米材料加入到称好的拌合水中搅拌均匀备用；
③在钢板上用铁锹将其他材料拌至颜色均匀；
④将拌至均匀的材料堆成锥形，然后将其中间挖成凹坑，向里面慢慢倒入含有纳米材料的拌合水，将拌合水倒完之后再翻拌八次，从拌合水倒完时算起，翻拌过程应在十分钟内完成；
⑤将翻拌均匀的混凝土拌合物装入已准备好的模具中，放入实验室内养护；
⑥24h后脱模，之后将试块放入标准养护箱中养护28d。
2.2 测试设备与数据处理方法
本试验以NRPC的抗压强度恢复率为指标来研究纳米填料对混凝土自愈性能的影响，抗压强度试验依据《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150-2017）[25]进行，采用示值误差不大于标准值±1%的压力试验机，且具有加荷速度控制装置，并能均匀、连续地加荷，试验机已定期校正。
目前，自愈混凝土的养护过程分为两种，一种是在水中养护，另一种是在空气中养护。根据已有研究表明，潮湿和水分充足的养护过程更有利于混凝土修复[26-28]。因此，本试验的试块都是放在温度为（20±2）℃的水中养护。具体试验步骤如下：
①将养护28d后的试块取出进行抗压强度试验，以0.3MPa/s～0.5MPa/s的速度连续而均匀地加载，当试件接近破坏而开始迅速变形时，停止调整油门，直至试件破坏，记录破坏荷载。每组三个试块，先取一组试块测得其极限抗压强度fc，剩下两组试块分别预压至β=60%fc和β=80%fc[29-30]；
②试块全部加载完后之后将其放入温度为20℃左右的水中养护28d；
③将达到养护龄期的试块取出，再测其全部抗压强度；
④通过比较NRPC的抗压强度和修复后的抗压强度，分析纳米填料的掺入对混凝土自愈效果的影响。
数据处理公式如下：
纳米填料净恢复率ΚN按下式计算：
KN=Kc-Kc0。式中，Kc0是空白组的强度恢复率。
图2给出了NS和NZ对混凝土试块抗压强度的影响规律。从图中可以看出NS和NZ的掺入都明显地提高了混凝土的抗压强度，且NS的提高效果更加明显。此外NS与NZ的最佳掺量均为2%，其中NS最高提高了8.75%，NZ最高提高了4.69%。
图2 纳米填料对混凝土抗压强度的影响
图3给出了NS对不同预压强度的混凝土抗压强度的影响，从图中可以看出NS的掺入提高了混凝土的抗压强度。预压60%fc与预压80%fc的试块放在水中养护28d后，NS掺量为1.5%时抗压强度最高，达到了36.4MPa。总体而言，在预压力作用下产生局部损伤时，NS的掺量为1.5%时对提高其抗压强度效果最佳。
图3 NS对不同预压程度混凝土极限强度的影响
图4给出了NZ对不同预压程度的混凝土抗压强度的影响，从图中可以看出预压60%fc的试块在水中养护28d后，NZ掺量为2%时抗压强度最高，达到了 38.5MPa；
掺量为 2.5% 时预压 80%fc的试块其抗压强度最高，达到了34.5MPa。从整体上看，虽然图中曲线存在交叉，但是整体变化趋势一致，NZ的掺入对混凝土的极限抗压强度均有一定的提高。
图4 NZ对不同预压程度混凝土极限强度的影响
图5给出了纳米填料对混凝土抗压强度恢复率的影响，从图中可以看出掺入NZ对提高混凝土的强度恢复率比掺入NS要好，且2%NZ的强度恢复率最高，达到了123.4%，此外NZ的掺量低于2%时，其强度恢复率随着NZ掺量的增加而提高，而掺量大于2%时，其强度恢复率有所降低。2%NS的强度恢复率最高，达到了118.8%，当NS的掺量低于2%时，其强度恢复率随着NS的增加而提高，当掺量高于2%时，其强度恢复率随着NS的增加而降低。因此，整体来说，NS的最佳掺量为2%。但NS与NZ的掺入在整体上都不同程度地提高了混凝土抗压强度恢复率。
图5 纳米填料对混凝土强度恢复率的影响
图6给出了纳米填料的净强度恢复率比较，从图中可以看出2%NZ的净强度恢复率提高最多，达到了10.8%，且掺量低于2%时，净强度恢复率随着掺量的增加而有所增加，但掺量高于2%时，净强度恢复率有所降低。因此，NZ的最佳掺量为2%。2%NS的净强度恢复率提高最多，为6.1%，但掺量高于2%时净强度恢复率开始显著降低。因此，NS的最佳掺量为2%。但NS与NZ的加入都使得强度恢复率有所提高，可以看出NS与NZ的加入使得纳米填料混凝土达到了一定自愈效果。
图6 纳米填料的净强度恢复率比较
本文主要探索了纳米填料的含量与种类对混凝土自愈性能的影响变化规律，以其28d的抗压强度恢复率来表征其自愈效果。由试验数据分析可知：首先纳米填料NS与NZ的掺入均使得混凝土的抗压强度有所提高，两者的最佳掺量均为2%，且NS的提高效果更加明显；
其次NS与NZ的掺入提高了预压混凝土试块的极限抗压强度，当强度预压80%时1.5%NS混凝土抗压强度最高，当强度预压60%时2%NZ混凝土的抗压强度最高；
最后纳米填料的掺入均使得混凝土的强度恢复率在不同程度上有所提高，在强度自愈效果方面，两者的最佳掺量都为2%。这些试验结果可为纳米材料在自愈混凝土中的应用提供参考。
