納米SiO-,2-高性能混凝土性能及機(jī)理研究.pdf

1、綠色高性能與可持續(xù)發(fā)展、超復(fù)合化、高強(qiáng)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(wèn)題之一是長(zhǎng)期耐久性問(wèn)題，隨著資源、能源問(wèn)題的日益突出，高性能水泥混凝土的生命過(guò)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(shí)意義。
　　 另一方面，目前納米技術(shù)已滲入到力學(xué)、藥物學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、機(jī)

2、械學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，在國(guó)防、電子、化工、輕工、航天航空、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中開(kāi)拓了廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的材料。
　　 本文研究的主要目的和內(nèi)容包括三個(gè)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(jī)理；研究高性能水泥混凝土抗凍耐久性的快速預(yù)測(cè)方法，以減少實(shí)驗(yàn)周期，提高實(shí)驗(yàn)效率；研究高性能水泥混凝土的環(huán)境協(xié)調(diào)性及其評(píng)價(jià)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(chēng)為納米SiO2，或簡(jiǎn)稱(chēng)NS)對(duì)高性能水泥混凝土的物理力學(xué)性能、抗氯離子滲透性能、自收縮性能、抗凍耐久性等幾個(gè)方面的影響，同時(shí)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(yù)測(cè)模型，最后根據(jù)王立久教授提出的材料過(guò)程工程學(xué)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(píng)價(jià)模型。
　　 研究結(jié)果顯示，納米SiO2對(duì)水泥安定性無(wú)不良影響；水泥漿體的標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)摻量達(dá)到8％時(shí)，用水量幾乎比基準(zhǔn)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(shí)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(dá)到相同的坍落度或擴(kuò)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，

6、3％、5％摻量納米二氧化硅的混凝土的擴(kuò)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(shí)，3％、5％摻量納米二氧化硅的混凝土的擴(kuò)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(shí)，3％、5％摻量納米二氧化硅的混凝土的擴(kuò)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(kuò)展度

7、下降速度明顯提高。而且水泥混凝土拌和物擴(kuò)展度的降低速率要比坍落度的降低速率快。
　　 當(dāng)摻入量3％-6％時(shí)，隨摻入量的增加，凈漿試件各齡期強(qiáng)度較基準(zhǔn)試件均有所提高，相對(duì)而言，早期強(qiáng)度提高較大，后期強(qiáng)度提高較小。對(duì)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(qiáng)度，早期比后期增強(qiáng)效果顯著。早期增強(qiáng)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(dāng)納米SiO2摻量為3％-5％時(shí)增強(qiáng)效果明顯，達(dá)到5％以上時(shí)增強(qiáng)效果不顯著。
　　 納米SiO2的摻入會(huì)提高高性能水泥混凝土的自收縮應(yīng)變值；W/B=0.34時(shí)，5％摻量混凝土后期自收縮值始終高于基準(zhǔn)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(shí)，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(shí)，摻加引氣劑后，混凝土NS摻量為0％、3％和5％時(shí)自收縮值分別降低約8％、12％和15％。對(duì)于不摻納米SiO2的混凝土，無(wú)論早期還是后期，超緩凝劑SR對(duì)于降低普通混凝土的自收縮作用并不明顯。但對(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，最大凍融次數(shù)前各循環(huán)時(shí)間點(diǎn)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(shí)，1200個(gè)凍融循環(huán)后，0％、3％、5％摻量NS的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為92.3％、94.3％、95，6％； W/B為0.29時(shí)，1200個(gè)凍融循環(huán)后，O％、3％、5％摻量NS的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為90.3％、91.3％、92.6％；W/B為0.34時(shí)，500個(gè)凍融循環(huán)后，0％、3

11、％、5％摻量NS的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為53.2％、74.3％、91，3％。摻入引氣劑對(duì)于提高W/B為0.34的高強(qiáng)混凝土的抗凍耐久性作用是非常明顯的。500個(gè)循環(huán)點(diǎn)時(shí)，0％、3％、5％摻量NS混凝土相對(duì)動(dòng)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(duì)抗凍性亦有所提高，0％、3％、5％摻量NS混凝土1200個(gè)

12、循環(huán)后相對(duì)動(dòng)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(biāo)預(yù)測(cè)模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型功能由MATLAB工具箱實(shí)現(xiàn)。輸入變量為有效漿體體積百分?jǐn)?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(shí)，摻3％納米二氧化硅的混凝土28天齡期電通量分別較基準(zhǔn)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(zhǔn)混凝土降低11.0％、23.2％、15.8％。水膠比為0.25、0.29、0.34時(shí)，摻3％納米二氧化硅混凝土60天齡期電通量分別較基準(zhǔn)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(zhǔn)混凝土降低28.8％、

14、38.3％、30.0％。
　　 通過(guò)進(jìn)行X射線(xiàn)衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、混凝土壓汞實(shí)驗(yàn)等微觀(guān)測(cè)試手段，從微觀(guān)角度分析了納米二氧化硅對(duì)水泥混凝土的作用機(jī)理。摻入NS后凈漿試件顯微結(jié)構(gòu)密實(shí)度提高。NS的摻入能夠降低凈漿中C-H含量并細(xì)化大尺寸的C-H晶體。摻入NS能夠明顯降低過(guò)渡界面中C-H晶體數(shù)量，并能夠細(xì)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(guò)界面改善效應(yīng)、物理填充密實(shí)效應(yīng)等綜合改善了漿體或混凝土的微觀(guān)特性，宏觀(guān)上使得混凝土性能得以提高或改善。
　　 根據(jù)材料過(guò)程工程學(xué)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(guò)程”與“環(huán)境共融性”的概念，進(jìn)而從混凝土的生命過(guò)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