納米SiO-,2-高性能混凝土性能及機理研究.pdf

1、綠色高性能與可持續(xù)發(fā)展、超復合化、高強高性能化、高功能、智能化等是水泥混凝土發(fā)展的主要方向。而高性能水泥混凝土存在的主要問題之一是長期耐久性問題，隨著資源、能源問題的日益突出，高性能水泥混凝土的生命過程與資源環(huán)境的相互關(guān)系也值得深入研究；因此，研究提高高性能水泥混凝土的耐久性能的方法和途徑、研究高性能水泥混凝土與環(huán)境的相互作用具有重大的現(xiàn)實意義。
　　 另一方面，目前納米技術(shù)已滲入到力學、藥物學、生物學、物理學、化學、材料學、機

2、械學等諸多學科領(lǐng)域，在國防、電子、化工、輕工、航天航空、生物和醫(yī)學等領(lǐng)域中開拓了廣闊的應(yīng)用前景，被認為是21世紀最有前途的材料。
　　 本文研究的主要目的和內(nèi)容包括三個方面：探索利用納米二氧化硅提高高性能水泥混凝土耐久性并研究其機理；研究高性能水泥混凝土抗凍耐久性的快速預測方法，以減少實驗周期，提高實驗效率；研究高性能水泥混凝土的環(huán)境協(xié)調(diào)性及其評價方法，為高性能混凝土的綠色化與可持續(xù)發(fā)展提供基本的理論基礎(chǔ)和研究方法。論文主要研究

3、了納米二氧化硅(本文以下稱為納米SiO2，或簡稱NS)對高性能水泥混凝土的物理力學性能、抗氯離子滲透性能、自收縮性能、抗凍耐久性等幾個方面的影響，同時建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高性能水泥混凝土抗凍耐久性預測模型，最后根據(jù)王立久教授提出的材料過程工程學基本原理，研究了基于模糊層次分析法( Fuzzy-AHP)的高性能水泥混凝土的環(huán)境協(xié)調(diào)性評價模型。
　　 研究結(jié)果顯示，納米SiO2對水泥安定性無不良影響；水泥漿體的標準稠度用水量隨著

4、納米SiO2摻量的增加而增加，而且梯度較大，當摻量達到8％時，用水量幾乎比基準用水量多一倍；由于納米SiO2所特有的“表面效應(yīng)”摻加納米二氧化硅的水泥凈漿的初凝和終凝時間均隨摻量的增加而縮短，納米SiO2的水化反應(yīng)速度明顯比普通硅酸鹽水泥要快。不同的水膠比的混凝土( W/B=0.24、W/B=0.29、W/B=0.34)，隨著納米二氧化硅摻入量的增加，要達到相同的坍落度或擴展度需摻入更多的高效減水劑；在保持高效減水劑摻量相同情況下，混凝

5、土工作性隨著納米二氧化硅摻入量的增加而快速降低。W/B=0.25、高效減水劑摻量2.5％時，3％、5％摻量納米二氧化硅的混凝土的坍落度相比下降4.3％和10.9％，W/B=0.29、高效減水劑摻量1.8％時，3％、5％摻量納米二氧化硅的混凝土的坍落度相比下降6.2％和18.8％，W/B=0.34、高效減水劑摻量1.2％時，3％、5％摻量納米二氧化硅的混凝土的坍落度相比下降9.1％和20.5％。W/B=0.25、高效減水劑摻量2.5％時，

6、3％、5％摻量納米二氧化硅的混凝土的擴展度相比下降7.1％和12.2％，W/B=0.29、高效減水劑摻量1.8％時，3％、5％摻量納米二氧化硅的混凝土的擴展度相比下降23.7％和33.9％，W/B=0.34、高效減水劑摻量1.2％時，3％、5％摻量納米二氧化硅的混凝土的擴展度相比下降33.9％和37.9％。初始坍落度接近，隨著水膠比的增大(W/B=0.25、W/B=0.29、W/B=0.34)，相同摻量納米二氧化硅的混凝土坍落度和擴展度

7、下降速度明顯提高。而且水泥混凝土拌和物擴展度的降低速率要比坍落度的降低速率快。
　　 當摻入量3％-6％時，隨摻入量的增加，凈漿試件各齡期強度較基準試件均有所提高，相對而言，早期強度提高較大，后期強度提高較小。對于三種水膠比( W/B=0.24、W/B=0.29、W/B=0.34)的高性能水泥混凝土，摻加不同摻量的納米SiO2后均能不同程度的提高混凝土的早期和后期抗壓強度，早期比后期增強效果顯著。早期增強結(jié)果中總體上以7d齡期最

8、為明顯。不同水膠比的混凝土，當納米SiO2摻量為3％-5％時增強效果明顯，達到5％以上時增強效果不顯著。
　　 納米SiO2的摻入會提高高性能水泥混凝土的自收縮應(yīng)變值；W/B=0.34時，5％摻量混凝土后期自收縮值始終高于基準混凝土，28天自收縮增加值為20×10-6(增加6％-8％)左右。W/B=0.25時，摻納米SiO2的混凝土的自收縮值均比不摻NS的28天增加6％-8％。摻入引氣劑能夠有效地降低混凝土的早期、后期自收縮；W

9、/B為0.34時，摻加引氣劑后，混凝土NS摻量為0％、3％和5％時自收縮值分別降低約8％、12％和15％。對于不摻納米SiO2的混凝土，無論早期還是后期，超緩凝劑SR對于降低普通混凝土的自收縮作用并不明顯。但對于摻有納米SiO2的混凝土，SR的摻入亦能夠有效地減少混凝土的自收縮。W/B為0.25、NS摻量為5％時，摻加適量超緩凝劑SR混凝土自收縮值降低約6％； W/B為0.34、NS摻量為5％時，摻加適量超緩凝劑SR混凝土自收縮值降低約

10、12％。
　　 快速凍融實驗研究結(jié)果表明，最大凍融次數(shù)前各循環(huán)時間點摻入NS的混凝土抗凍耐久性系數(shù)均比不摻NS的有所提高。W/B為0.25時，1200個凍融循環(huán)后，0％、3％、5％摻量NS的混凝土相對動彈性模量分別為92.3％、94.3％、95，6％； W/B為0.29時，1200個凍融循環(huán)后，O％、3％、5％摻量NS的混凝土相對動彈性模量分別為90.3％、91.3％、92.6％；W/B為0.34時，500個凍融循環(huán)后，0％、3

11、％、5％摻量NS的混凝土相對動彈性模量分別為53.2％、74.3％、91，3％。摻入引氣劑對于提高W/B為0.34的高強混凝土的抗凍耐久性作用是非常明顯的。500個循環(huán)點時，0％、3％、5％摻量NS混凝土相對動彈性模量引氣劑摻加前(后)分別為53.2％(95.4％)、74.3％(96.5％)、91.3％(98.2％)，提高幅度分別為79％、30％、8％。摻加引起劑后，NS的加入對抗凍性亦有所提高，0％、3％、5％摻量NS混凝土1200個

12、循環(huán)后相對動彈性模量分別為90.4％、91.2％、93.4％。建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高性能混凝土抗凍耐久性指標預測模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型功能由MATLAB工具箱實現(xiàn)。輸入變量為有效漿體體積百分數(shù)F，平均氣泡間距系數(shù)s，含氣量A，漿/氣比P/A，氣泡比表面積α，輸出為耐久性系數(shù)DF值。研究結(jié)果顯示，建立的5-10-1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為最優(yōu)模型。
　　 摻加納米二氧化硅能夠顯著提高高性能混凝土的抗?jié)B性能，電通量隨著NS摻量的增加而顯著減少

13、。水膠比為0.25、0.29、0.34時，摻3％納米二氧化硅的混凝土28天齡期電通量分別較基準混凝土降低9.3％、21.8％、5.3％；摻5％納米二氧化硅的混凝土28天齡期電通量分別較基準混凝土降低11.0％、23.2％、15.8％。水膠比為0.25、0.29、0.34時，摻3％納米二氧化硅混凝土60天齡期電通量分別較基準混凝土降低26.6％、24.0％、4.4％；摻5％納米二氧化硅混凝土60天齡期電通量分別較基準混凝土降低28.8％、

14、38.3％、30.0％。
　　 通過進行X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、混凝土壓汞實驗等微觀測試手段，從微觀角度分析了納米二氧化硅對水泥混凝土的作用機理。摻入NS后凈漿試件顯微結(jié)構(gòu)密實度提高。NS的摻入能夠降低凈漿中C-H含量并細化大尺寸的C-H晶體。摻入NS能夠明顯降低過渡界面中C-H晶體數(shù)量，并能夠細化C-H晶體尺寸；不摻NS的混凝土，其界面處的C-S-H凝膠多以針狀、松散簇狀結(jié)構(gòu)為主，而摻入NS的混凝土，其

15、界面處的C-S-H凝膠多以緊密堆積的簇狀和致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為主。摻加納米二氧化硅后，通過界面改善效應(yīng)、物理填充密實效應(yīng)等綜合改善了漿體或混凝土的微觀特性，宏觀上使得混凝土性能得以提高或改善。
　　 根據(jù)材料過程工程學研究方法的基本原理，基于水泥混凝土與環(huán)境的關(guān)系，本文提出“混凝土生命過程”與“環(huán)境共融性”的概念，進而從混凝土的生命過程的概念出發(fā)，初步系統(tǒng)分析了水泥混凝土從原材料組成、生產(chǎn)、成型工藝、使用直至破壞失效的各階段與環(huán)境的