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《大连理工大学》 2009年
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纳米SiO_2高性能混凝土性能及机理研究

王宝民  
【摘要】: 绿色高性能与可持续发展、超复合化、高强高性能化、高功能、智能化等是水泥混凝土发展的主要方向。而高性能水泥混凝土存在的主要问题之一是长期耐久性问题,随着资源、能源问题的日益突出,高性能水泥混凝土的生命过程与资源环境的相互关系也值得深入研究;因此,研究提高高性能水泥混凝土的耐久性能的方法和途径、研究高性能水泥混凝土与环境的相互作用具有重大的现实意义。 另一方面,目前纳米技术已渗入到力学、药物学、生物学、物理学、化学、材料学、机械学等诸多学科领域,在国防、电子、化工、轻工、航天航空、生物和医学等领域中开拓了广阔的应用前景,被认为是21世纪最有前途的材料。 本文研究的主要目的和内容包括三个方面:探索利用纳米二氧化硅提高高性能水泥混凝土耐久性并研究其机理;研究高性能水泥混凝土抗冻耐久性的快速预测方法,以减少实验周期,提高实验效率;研究高性能水泥混凝土的环境协调性及其评价方法,为高性能混凝土的绿色化与可持续发展提供基本的理论基础和研究方法。论文主要研究了纳米二氧化硅(本文以下称为纳米SiO_2,或简称NS)对高性能水泥混凝土的物理力学性能、抗氯离子渗透性能、自收缩性能、抗冻耐久性等几个方面的影响,同时建立了基于BP神经网络的高性能水泥混凝土抗冻耐久性预测模型,最后根据王立久教授提出的材料过程工程学基本原理,研究了基于模糊层次分析法(Fuzzy-AHP)的高性能水泥混凝土的环境协调性评价模型。 研究结果显示,纳米SiO_2对水泥安定性无不良影响;水泥浆体的标准稠度用水量随着纳米SiO_2掺量的增加而增加,而且梯度较大,当掺量达到8%时,用水量几乎比基准用水量多一倍;由于纳米SiO_2所特有的“表面效应”掺加纳米二氧化硅的水泥净浆的初凝和终凝时间均随掺量的增加而缩短,纳米SiO_2的水化反应速度明显比普通硅酸盐水泥要快。不同的水胶比的混凝土(W/B=0.24、W/B=0.29、W/B=0.34),随着纳米二氧化硅掺入量的增加,要达到相同的坍落度或扩展度需掺入更多的高效减水剂:在保持高效减水剂掺量相同情况下,混凝土工作性随着纳米二氧化硅掺入量的增加而快速降低。W/B=0.25、高效减水剂掺量2.5%时,3%、5%掺量纳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、高效减水剂掺量1.8%时,3%、5%掺量纳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、高效减水剂掺量1.2%时,3%、5%掺量纳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、高效减水剂掺量2.5%时,3%、5%掺量纳米二氧化硅的混凝土的扩展度相比下降7.1%和12.2%,W/B=0.29、高效减水剂掺量1.8%时,3%、5%掺量纳米二氧化硅的混凝土的扩展度相比下降23.7%和33.9%,W/B=0.34、高效减水剂掺量1.2%时,3%、5%掺量纳米二氧化硅的混凝土的扩展度相比下降33.9%和37.9%。初始坍落度接近,随着水胶比的增大(W/B=0.25、W/B=0.29、W/B=0.34),相同掺量纳米二氧化硅的混凝土坍落度和扩展度下降速度明显提高。而且水泥混凝土拌和物扩展度的降低速率要比坍落度的降低速率快。 当掺入量3%-6%时,随掺入量的增加,净浆试件各龄期强度较基准试件均有所提高,相对而言,早期强度提高较大,后期强度提高较小。对于三种水胶比(W/B=0.24、W/B=0.29、W/B=0.34)的高性能水泥混凝土,掺加不同掺量的纳米SiO_2后均能不同程度的提高混凝土的早期和后期抗压强度,早期比后期增强效果显著。早期增强结果中总体上以7d龄期最为明显。不同水胶比的混凝土,当纳米SiO_2掺量为3%-5%时增强效果明显,达到5%以上时增强效果不显著。 纳米SiO_2的掺入会提高高性能水泥混凝土的自收缩应变值;W/B=0.34时,5%掺量混凝土后期自收缩值始终高于基准混凝土,28天自收缩增加值为20×10~(-6)(增加6%-8%)左右。W/B=0.25时,掺纳米SiO_2的混凝土的自收缩值均比不掺NS的28天增加6%-8%。掺入引气剂能够有效地降低混凝土的早期、后期自收缩;W/B为0.34时,掺加引气剂后,混凝土NS掺量为0%、3%和5%时自收缩值分别降低约8%、12%和15%。对于不掺纳米SiO_2的混凝土,无论早期还是后期,超缓凝剂SR对于降低普通混凝土的自收缩作用并不明显。但对于掺有纳米SiO_2的混凝土,SR的掺入亦能够有效地减少混凝土的自收缩。W/B为0.25、NS掺量为5%时,掺加适量超缓凝剂SR混凝土自收缩值降低约6%:W/B为0.34、NS掺量为5%时,掺加适量超缓凝剂SR混凝土自收缩值降低约12%。 快速冻融实验研究结果表明,最大冻融次数前各循环时间点掺入NS的混凝土抗冻耐久性系数均比不掺NS的有所提高。W/B为0.25时,1200个冻融循环后,0%、3%、5%掺量NS的混凝土相对动弹性模量分别为92.3%、94.3%、95.6%;W/B为0.29时,1200个冻融循环后,0%、3%、5%掺量NS的混凝土相对动弹性模量分别为90.3%、91.3%、92.6%;W/B为0.34时,500个冻融循环后,0%、3%、5%掺量NS的混凝土相对动弹性模量分别为53.2%、74.3%、91.3%。掺入引气剂对于提高W/B为0.34的高强混凝土的抗冻耐久性作用是非常明显的。500个循环点时,0%、3%、5%掺量NS混凝土相对动弹性模量引气剂掺加前(后)分别为53.2%(95.4%)、74.3%(96.5%)、91.3%(98.2%),提高幅度分别为79%、30%、8%。掺加引起剂后,NS的加入对抗冻性亦有所提高,0%、3%、5%掺量NS混凝土1200个循环后相对动弹性模量分别为90.4%、91.2%、93.4%。建立了基于BP神经网络的高性能混凝土抗冻耐久性指标预测模型。BP神经网络模型功能由MATLAB工具箱实现。输入变量为有效浆体体积百分数F,平均气泡间距系数(?),含气量A,浆/气比P/A,气泡比表面积α,输出为耐久性系数DF值。研究结果显示,建立的5-10-1网络结构为最优模型。 掺加纳米二氧化硅能够显著提高高性能混凝土的抗渗性能,电通量随着NS掺量的增加而显著减少。水胶比为0.25、0.29、0.34时,掺3%纳米二氧化硅的混凝土28天龄期电通量分别较基准混凝土降低9.3%、21.8%、5.3%;掺5%纳米二氧化硅的混凝土28天龄期电通量分别较基准混凝土降低11.0%、23.2%、15.8%。水胶比为0.25、0.29、0.34时,掺3%纳米二氧化硅混凝土60天龄期电通量分别较基准混凝土降低26.6%、24.0%、4.4%;掺5%纳米二氧化硅混凝土60天龄期电通量分别较基准混凝土降低28.8%、38.3%、30.0%。 通过进行X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、混凝土压汞实验等微观测试手段,从微观角度分析了纳米二氧化硅对水泥混凝土的作用机理。掺入NS后净浆试件显微结构密实度提高。NS的掺入能够降低净浆中C-H含量并细化大尺寸的C-H晶体。掺入NS能够明显降低过渡界面中C-H晶体数量,并能够细化C-H晶体尺寸;不掺NS的混凝土,其界面处的C-S-H凝胶多以针状、松散簇状结构为主,而掺入NS的混凝土,其界面处的C-S-H凝胶多以紧密堆积的簇状和致密的网状结构为主。掺加纳米二氧化硅后,通过界面改善效应、物理填充密实效应等综合改善了浆体或混凝土的微观特性,宏观上使得混凝土性能得以提高或改善。 根据材料过程工程学研究方法的基本原理,基于水泥混凝土与环境的关系,本文提出“混凝土生命过程”与“环境共融性”的概念,进而从混凝土的生命过程的概念出发,初步系统分析了水泥混凝土从原材料组成、生产、成型工艺、使用直至破坏失效的各阶段与环境的协调性,并提出提高水泥混凝土生命过程与环境友好性的可行性措施;首次提出以层次分析法和模糊数学为基础的模糊层次分析法(Fuzzy-AHP)水泥混凝土生命过程与环境共融性评价模型,并介绍了模糊层次分析法在高性能水泥混凝土生命过程环境共融性评价中的应用。
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