纳米材料对玻化微珠保温混凝土性能的影响.pdf

2 0 1 3年第 l 0期 1 0月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI N A CO NCRE T E AND C EME NT P RODUC T S 2 01 3 No ． 1 0 0c t o b e r 纳米材料对玻化微珠保温混凝土性能的影响 霍建梅 ， 李珠 ， 王 文婧 ( 太原理工大学建筑与土木工程学院， 0 3 0 0 2 4 ) 摘要 ： 通过单 因素及耦 合试验研 究纳米 S i O ( NS ) 和 纳米 C a CO ( NC) 对玻化微 珠保 温混凝土坍 落度及 抗压 强度的影响。NS以 0 ．5 ％、 1 ． 0 ％、 1 ． 5 ％， NC 以 O ． 5 ％、 1 ． 0 ％、 1 ． 5 ％等量代 替水泥， 并对混凝土坍落度及 7 d 、 2 8 d立方体抗 压强度进行 了测试 。试验结果表 明， s加入 可显著提 高混凝土的强度 ， 且最佳掺量为 1 ％， 但不利 于混凝土的流动性 ： NC的加入降低混凝 土的强度 ， 但 改善 了混凝土的流动性， 且最佳掺 量为 O ． 5 ％。通过纳米矿物 的合理复掺可制备 出 7 d和 2 8 d立方体抗压强度分别为 2 6 ． 7 MP a 、 4 2 ． 4 MP a ， 坍落度 为 1 4 5 ram 的玻化微珠保温承重混凝土 关键词 ： 玻化微珠 ； 保 温承重混凝土 ； 纳米 S i O2 ； 纳米 Ca CO3 ； 抗压强度 ； 坍落度 A b s t r a c t ： e e ff e c t o f n a n o — S i 0 2 ( N S ) a n d n a n o — C a C 0 3 ( N C ) o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d s l u mp o f g l a z e d h o l l o w b e a d i n s u l a t i o n c o n c r e t e w a s i n v e s t i g a t e d b y s i n ~ e f a c t 0 r t e s t a n d c o u p l i n g t e s t ． 0 ．5 ％ 、 1 ．0 ％ 、 1 ．5 ％ o f N S a n d 0 ． 5 ％ 、 1 ．0 ％ 、 1 ．5 ％ o f NC we r e a d d e d t o p a r t i a l r e p l a c e c e me n t ．T h e s l u mp o f f r e s h c o n c r e t e a n d 7 d、 2 8 d c u b e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h w e r e t e s t e d ． e t e s t r e s u l t s s h o w tha t a d d i n g N S c a n s i g n i fi c a n t l y i n c r e a s e c o n c r e t e s t r e n gth a n d t h e o p t i mu m c o n t e n t i s 1 ％． b u t i t i s n o t b e n e fi c i a l to fl o wa b i l i t y o f c o n c r e t e ； a d d i n g NC r e d u c e s c o n c r e t e s t r e n g t h ．b u t i mp r o v e s fl o w a — b i l i t y of c o n c r e t e ，a n d t h e o p t i mu m c o n t e n t i s 0 ． 5 ％．G1 a z e d h o l l o w b e a d i n s u l a t i o n c o n c r e t e w i t h 7 d、 2 8 d c u b e c o mp r e s — s i r e s t r e n g t h o f 2 6 ． 7 MP a、 4 2 ．4 MP a a n d s l u mp of 1 4 5 mm c a n b e ma d e b y s u i t a b l e a d mi x t u r e s wi th H a n o — mi n e r a l s ． Ke y wo r d s ：Gl a z e d h o l l o w b e a d ； Na n o - S i O 2 ； N a n o — C a C O3 ； C o mp r e s s i v e s t r e n g t h ； S l u mp 中图分类号 ： T U 5 2 8 ．2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 — 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 1 0 — 5 4 一 O 4 0前 言 玻化微珠保温混凝土是近年发展迅速的一种 节能环保承重型混凝土 ． 其质轻 、 保温 的特点使建 筑物在全寿命周期内节省了材料用量的同时减少 了建筑 内部与外界 的热交换 。降低 了建筑物的能 耗 。 有广阔的应用前景f 】 - 2 ] 。在玻化微珠保温混凝土 基本 物理力学性能及其性能优化方面 ， 李珠[3 ] 等通 过正交试验确定 了水泥强度等级 、 水泥用量 、 用砂 量 、 保温轻骨料玻化微珠堆积密度 、 玻化微珠掺量 、 外加剂六个 因素对立方体抗压强度和导热系数影 响的主次顺序 ： 张泽平等 在玻化微珠保温混凝土 里采用 陶粒作为轻粗骨料制备 出了最大抗压强度 为 4 5 ． 5 8 MP a ， 最小导热系数为 0 ． 1 5 9 W／ ( m k ) 的玻 化微珠陶粒保温混凝土。本课题组对不同种类不 同 掺量的外掺料 、 外加剂的玻化微珠混凝土坍落度进 行了试验研究 ， 提出了提高玻化微珠保温混凝土 的 和易性以及力学性质的改善方法。 近年来 ， 纳米材料应用领域不断扩展 。 目前 已 有许多学者对其在普通混凝土 、 高性能混凝土中的 应用进行了研究 。 并取得了一定的成果。叶青等同 研 基 金 项 目 ：教 育 部 高 等 院 校 博 士 点 基 金 项 目资 助 ( 2 01 0 1 4 0 2 1 2 O 0 o 7 ) 。 — 5 4— - 究 了纳米 材 料对 水 泥基 材料 进行 改 性 ， 表 明掺 入 纳 米 S i O ： 拌合物变得粘稠 、 流动性下降 ， 但能显著提 高混凝土 的强度 ； 李 固华等[ 6 3 探讨 了纳米微粉 S i O 和 C a C O 对混 凝 土性 能 的影响 ， 表 明纳米 S i O 有利 于提 高混 凝 土 的强度 ． 纳 米 C a C O 可 改善 混凝 土 的 工作性 ； 唐明等[7 1 将纳米 S i O 与硅灰复合作为高活 性的掺合料 ， 探索了复合微粉对水泥基材料的复合 改性效应 。如何将纳米材料合理地应用到玻化微珠 保温混凝土中， 研发出改性的玻化微珠保温} 昆凝土 来 进 一 步改 善玻 化微 珠保 温 混凝 土 的力学 、 导 热 性 能 、 工 作性能 是研 发人员 的共 同 目标 。 本文通过采用不同配合 比、 掺合料 的方法来研 究它们 对玻化微珠保温} 昆 凝 土力学及工作性能的 影响 ． 并 分析 相应 的作用 机理 。 1 试验原 材料 及方 法 1 ． 1 原材 料 水泥 ： 普通硅酸盐水泥 ， 强度等级 4 2 ． 5 ， 比表面 积 3 4 0 m 2 ／ k g ． 细度 0 ． 6 5 。 骨 料 ： 石 子 选 用 山西 文 水 碎 石 ． 粒 径 5 - 2 0 m m． 堆积密度 1 6 0 0 k g ／ m ；砂选用山西晋城某砂石厂 中 砂 ． 含 泥量小 于 2 ％， 堆积 密度 1 5 0 0 k g ／ m 。 。 玻化微珠 ：选用太原某公司生产的 S K D —I 1 产 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 霍建梅 ， 李珠 。 王文婧 纳米材料对玻化微珠保温混凝土性能的影响 品 ， 物 理性 能 见表 1 。 纳米 S i O 、 纳米 C a C O ： 由太原某公 司提供 ， 其 物理指标见表 2和表 3 。 表 1 玻化微珠颗粒的物理性能指标 40～8 0 24O 0 0 22 ． 59 0． 2 1 8 ． 5～ 9． 5 9 6． 3 8 99 减水剂 ： 太原某化工厂产聚羧酸高效减水剂。 1 ． 2试 验方 法 混凝 土 的力 学 性 能及 和易 性试 验分 别 参 照 G B ／ T 5 0 0 8 1 --2 0 0 2 《 普 通 混凝 土力 学 性 能 试 验 方 法标 准》 和 G B ／ T 5 0 0 8 0 --2 0 0 2 ( 普通混凝土拌合性 能试 验方法标准》 进行 。采用 1 5 0 m m~ 1 5 0 ram ~ 1 5 0 m m立 方体试件 ， 分别作 7 d 、 2 8 d的立方体抗压强度试验。 基准玻 化微珠保温混凝 土的水灰 比为 0 ． 5 ， 坍 落度为 1 4 2 mm． 强度等级为 C 3 5 。混凝土中总 的胶 结材料用量 5 0 0 k g ／ m 。 ，石子 1 1 6 0 k g ／ m ．砂 5 1 0 k ~ m ， 玻化微珠 用量 1 ． 3 m 3 ／ m ， 减水 剂掺量 2 ． O ％， N S 表 4混凝 土配合比 和 N C等 量取代 水 泥用量 。 共 选用 1 6种 配合 比进行 试 验 ， 见 表 4 。表 4中编号 1为基 准 配 合 比 ， 2 — 7为 单 因素试验配合 比， 8 ～ 1 6为耦合试验配合比。 2试验 结果及 分析 2 ． 1 掺合 料对 抗压 强度 的影 响 纳米级材料单因素及耦 合作用对玻 化微珠保 温混凝 土 7 d 、 2 8 d抗 压强度 影 响试验 结果 见表 5 。 表 5各配合比 7 d和 2 8 d 抗压 强度 2 ． 1 ． 1 单掺 N S对抗压强度的影响 图 1 可知 ， 在 N S掺量较小 时． 随着 N S掺量的 增加其强度增长 ， 当掺量为 0 ． 5 ％时 ， 混凝 土 7 d 、 2 8 d 抗压强度较基准混凝土增加趋势平稳 ， 分别 比基准 混 凝 土增 加 2 ． 7 ％、 4 _ 3 ％； 当掺 量 为 1 ． O ％时 ． 混 凝 土 7 d和 2 8 d抗 压强 度 值 出现 峰值 ， 较基 准混 凝 土均 提 高 1 8 ． 0 ％； 当 N S掺量继续增加 ， N S掺量增加会导致 强度的降低 ， 当其为 1 ． 5 ％时， 混凝土 7 d 、 2 8 d抗压强 度较 1 ％掺量的混凝土抗压强度低 ．但仍 比基准混 凝土抗压强度高。其原因为： ①N s表面存在大量不 饱 和键 ， 具 有 很 高 的 化 学 活性 ， 极 易 与 其 他 原 子结 合 趋 于稳 定 ，因此 在 水 泥浆体 中形成 以 N S为 核 心 的 细小 均 匀 的 水 化产 物 C a S i O 凝 胶 填 充 了水 泥 的 间隙， 使基体组织变得更加致密； ②水化过程中 c a ( O H) ： 的生成对粘结强度是不利的，而 N S能与 C a ( O H) ： 发生二次反应形成新 的 C — S — H凝胶 ，降低 C a ( O H) 含量和细化 C a ( O H) ： 晶体 ， 进而起到改善 界 面 的积极 作用 。 2 ． 1 ． 2 单掺 N C对 抗 压强度 的影 响 图 2可知 ， 随着 N C掺量增加 ， 混凝土抗压强度 呈现出逐渐降低的趋势 ， 当掺量为 0 ． 5 ％时 ． 与基准 一 5 5— 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 l 0期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 0期 图 l N S掺量 与抗压强度的关系 图 2 N C掺量与抗压强度的关系 图 3 N S掺量与 7 d抗压强度的关系 混凝土 相 比 ，混 凝土 7 d 、 2 8 d抗压 强度 分别 降低 3 ． 5 ％和 4 ． 8 ％； 当掺量从 0 ． 5 ％增加到 1 ． 0 ％时 ． 混凝 土早 期 强 度下 降尤 为 明 显 ，其 7 d抗 压 强 度 从 4 ． 7 MP a降低到 2 0 ． 9 MP a ， 强度降低率为 1 5 ． 4 MP a ： 当 掺量达到 1 ． 5 ％时。其下降趋势变得缓和 ，较 1 ％掺 量， 混凝土强度分别降低 5 ． 2 ％、 3 ． 8 ％。一方面， 由于 N C易 在共混物 中聚集成 团导致共 混体系强 度损 失 ； 另一方面 ， 水化产物硫铝酸钙和碳铝酸钙体积 膨胀破坏了混凝土结构 ， 进而导致强度降低 。 2 ． 1 ． 3 N S和 N C耦合作用对抗压强度的影响 图 3和 图 4分别 为 N C掺 量不 变 时 ， N S掺 量 与 玻化微珠保温混凝土 7 d 、 2 8 d立方体抗压强度的关 系图。由图可知 ， 其掺量与强度的关系变化趋势与 单因素影响时是一致的。图 5和图 6分别为 N S掺 量不变时 ， N C掺量与混凝土 7 d 、 2 8 d立方体抗压强 度 的关系图． 其变化趋势也与单因素影响一致。 0．5 1 ． O NC掺 量 ／ ％ 图 4 N S掺量与 2 8 d 抗 压强度 的关系 图 5 N C掺量与 7 d抗压强度的关系 图 6 N C掺量与 2 8 d抗压强度 的关 系 2 ． 2 掺合料对和易性的影响 表6 各配合比混凝土坍落度 纳米级材料单因素及复合作用对玻化微珠保 温混 凝土 和易性 的影 响试验 结果 见表 6 。 2 ． 2 ． 1 单掺 N S对坍落度的影响 掺加 N S后 ，玻化微珠保温混凝土拌合物变得 黏稠 ， 流动性迅速下降 ． 这一点在掺量为 1 ％以后表 现得尤为明显。表 6第 1 4组数据可知 ， 基准混凝 土的坍落度为 1 4 2 m m， N S掺量为 0 ． 5 ％时 ， 混凝土的 坍落度下降 8 m m， N S掺量为 1 ． 0 ％时，混凝土的坍 落度 只剩 1 3 4 m m．下降了 1 9 mm，N S掺量为 1 ． 5 ％ 时 ， 混凝土的坍 落度为 1 1 0 mm， 仅剩基准 昆 凝 土坍 落度的 7 7 ％， 下降了 3 2 m m。 其原因是由于水泥浆体 中形成 了以 N S为中心 的细小均匀的水化产物 C a — S i O ， 凝胶 ，填充了水泥的空隙使基体组织变得更加 致密 ， 从而降低坍落度 。 2 ． 2 ． 2 单掺 N C对坍落度的影响 在玻化微珠保温混凝土中掺入 N C后 ，混凝土 一 5 6一 编号 坍落度／ ra m m 如 媚 卯 如 l 2 3 4 5 6 7 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 霍建梅 ， 李 珠 ， 王文婧 纳米材料对玻化微珠保温混凝土性能的影 响 的和易性 ．特别是保水性和黏聚性有 明显改善 ， 这 一 点可 由表 6的第 1及t 5 ～ 7组数据看出。随着 N C 掺量 的增加混凝土坍落度明显增大 ，当 N C掺量为 0 ． 5 ％时 ． 混凝土坍落度由基准混凝土的1 4 2 mm增加 到 1 5 0 m m； N C掺量为 1 ． 0 ％时 ，混凝土的坍落度为 1 5 2 mm， 当掺量增加到 1 ． 5 ％时 ， 混凝土 的坍落度为 1 6 2 mm。由此可知 ， 适量的 N C在体系 中充当了小分 子润滑的作用 ． 减小 了流动阻力 ， 使体系流动性增 加 ， 但 当其掺 量超过一 定量 时 ， 趋于 团聚形成较大 的颗粒 ． 颗粒之间相互 摩擦 产生流动阻力 ， 导致体 系流动性下降。 暑 g 蜓 宝 图 7 N S掺 量与坍 落度的关系 1 ．O 1 ． 5 NC掺 量， ％ 图 8 N C掺量与坍落度 的关系 2 ． 2 ． 3 N S和 N C耦合 作用 对坍 落度 的影 响 N S和 N C共掺后 ， N C掺量对玻化微珠保温混 凝土拌合物和易性影响 比 N S明显 ，表现在图 8曲 线 的趋势更加陡峭 ，当 N S和 N C掺 量均为 0 ． 5 ％、 1 ． O ％、 1 ． 5 ％，混凝土坍落度分别为 1 4 8 m m、 1 5 0 ra m、 1 5 l m m， 均大于基准混凝土 的坍落度 ． 因此 ， 可用增 加 N C掺量的方法来改善混凝土的工作性。 2 - 3 耦合作用下掺合料对玻化微珠保温混凝土性 能 的影 响 在单 因素研究 中每种外加剂有各 自最 佳掺量 的范围 ， 但 多种外加剂选取最佳掺量不一定就可以 得到性能最优的玻化微珠保温混凝土 ．如 N S掺量 增加 ， 强度得到 了改善但工作性能下降 ， N C掺量越 多 ．虽工作性能得到优化却降低 了混凝土的强度。 综合 N S和 N C对混凝土强度及工作性能的影响， 当 N C掺量为 1 ％， N S掺量为 0 ． 5 ％时混凝土性能为试 验最优 ， 此时 ， 混凝土的坍落度为 1 4 5 m m， 较基准混 凝 土坍 落度 略有 所 提 高 ， 7 d和 2 8 d立方 体抗 压 强度 分别为 2 6 ． 7 M P a 、 4 2 ． 4 M P a ，较基准混凝土分别提高 4 ． 3 ％、 1 2 ． 6 ％，可见此掺量提高了混凝土的强度 ， 并 对混凝土的工作性能也有所改善。 3结论 ( 1 ) 随着 N S掺量 的增加玻化微珠保温混凝 土 立方体抗压强度先增长后降低 ，在掺量为 1 ％时强 度 值达到最 大 ．其 7 d和 2 8 d立 方体抗 压强度 为 3 0 ． 2 MP a和 4 0 ． 6 MP a ．较 基 准混凝 土 均提 高 1 8 ． 0 ％， 但混凝 土拌合物变得黏稠 ， 流动性迅速下降 ， 表坍 落度显著降低。 ( 2 ) N C对玻 化微 珠 保 温混 凝 土 强度 的影 响为 ， 随着 N C掺量增加 ，玻化微珠保温混凝土立方体抗 压强度呈现逐渐降低的趋势 ，但 N C的掺入对混凝 土的和易性影响很大 ， 特别是保水性和粘聚性有明 显改善。 ( 3 ) 通过 N S和 N C的耦合作用 ， 可制得 7 d和 2 8 d立 方体 抗压 强 度分 别 为 2 6 ． 7 MP a 、 4 2 ． 4 MP a的玻 化微珠保温混凝土 ，较基准混凝土分别提高 4 ． 3 ％、 1 2 ． 6 ％， 且工 作性 能 良好 。 参考文献 ： [ 1 ] 李珠． 玻 化微 珠保温材料的系列研究 与“ 城市窑洞 ” 式绿色 建筑f M] ． 北京 ： 北京邮 电大学出版社 ， 2 0 1 1 ． 【 2 】 李珠 ， 张泽平， 刘元珍． 玻化微 珠保温混 凝土『 P 1 ． 中国专利． 20 061 0 01 2 72 6．2 00 8． 【 3 ] 张泽平， 董彦莉， 李珠． 玻化微珠保温混凝土正交试验研究 『 J 1 ． 混凝土与水泥制 品， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 5 5 — 5 7 ． [ 4 】 张泽平， 樊亚男， 吴迪． 掺加陶粒的玻化微珠保温混凝土试 验研究 【 J ] ． 新型建筑材料， 2 0 1 1 ( 1 1 ) ： 2 9 — 3 1 ． 【 5 】 陈荣 升， 叶青 ． 掺纳米 S i O ： 与掺硅粉 的水泥硬化 浆体 的性 能 比较[ J 】 ． 混凝土， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 7 — 1 0 ． [ 6 】 李 固华， 高波． 纳米微粉 S i O 和 C a C O 对 混凝土性 能影 响 [ J ] ． 铁道学报， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 1 3 1 — 1 3 6 ． 【 7 】 唐明， 巴恒静， 李颖． 纳米级 S i O 与硅灰对水泥基材料 的复 合改性效应研究[ J 1 ． 硅酸盐学报， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 5 2 3 — 5 2 7 ． 收稿 日期 ： 2 01 3 — 0 8 - 2 6 作者简 介 ： 霍建梅 ( 1 9 8 7 一 ) ， 女 ， 硕士研究生。 联 系 电话 ： 1 8 2 3 4 0 8 3 7 0 0 E- ma i l ： 1 8 2 3 4O 8 3 7 0 O@1 6 3 ． c o m 通讯作者 ： 李珠 ( 1 9 5 9 一 ) ， 男 ， 博士 、 教授 。 E- ma i I l i z h u 9 9 9 9@v i p ． s in a ． o o m 一 5 7一 ∞ ∞ ∞ gm ／ 密 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m