纳米高岭土颗粒改性水泥基复合材料性能

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1、纳米高岭土颗粒改性水泥基复合材料性能　　摘要：研究了纳米高岭土颗粒对不同龄期水泥基材料微观结构（微孔结构、微观结构）及物理力学性能（工作性、抗弯强度、抗压强度、氯离子渗透性）的影响。结果表明，纳米高岭土颗粒的填充效应及其对水泥水化的促进作用改善了水泥基材料的微观孔结构，限制了氯离子在水泥基材料中的渗透扩散。当高岭土为水泥质量的1%时，水泥浆1、3、7、90d抗弯强度分别提高30.41%、39.04%、36.27%和38.32%；当高岭土为水泥质量的5%时，水泥砂浆氯离子扩散系数降低53.03%；混凝土氯离子扩散系

2、数随高岭土掺量增加呈指数递减；当高岭土为水泥质量的5%时，氯离子扩散系数降低18.87%；抗压强度分别提高28.4%；改性混凝土28d抗压强度与混凝土氯离子扩散系数呈线性增加关系。关键词：纳米高岭土；水泥基材料；工作性；强度；渗透性；SEM；氯离子；RCM中图分类号：TU52文献标志码：A文章编号：16744764（2014）010130085严重暴雪和特大暴雪将造成交通路网陷于瘫痪状态，为及时通车，传统的氯盐型融雪剂成为融雪的首选材料。然而随着大雪的消融，诸多公路基础设施遭到损坏，融雪剂对公路桥梁等基础设施耐久

3、性的长期负面影响已经引起土木工程界的关注。尽管氯盐类融雪剂对混凝土结构和环境带来巨大的损坏，但从融雪效能、速度、方便快捷到成本效益的比较，目前在世界范围内仍难以取代。据估算，美国每年因氯盐腐蚀破坏环境的成本占GNP的4%（相当于美国国防开支）；氯盐融雪剂造成哥本哈根地区102座桥中50%出现严重的钢筋锈蚀；法国每年冬季消耗150万t氯盐类融雪剂，耗资4亿法郎。中国化冰盐使用时间较其他国家短，混凝土结构损坏尚未完全显现；但化冰盐造成北京西直门老立交桥在使用20a便被迫拆除的工程实例足以给我们警示。据报导，近年来中国

4、冬季融雪剂的用量逐年增加。2001年北京市使用融雪剂1000t左右，2002年增至7000t；2008年中国南方特大雪灾，仅京珠高速公路洒落近千吨融雪剂；2009年2月北京3场降雪便消耗融雪剂9000多t；2010年中国遭遇大面积大雪和历史上罕见低温天气，仅1月份北京首场降雪便消耗融雪剂3万t；2011年中国再次大面积遭遇大雪，融雪剂不得不广泛使用。近年来，不少发达国家致力于开发新型环保型融雪材料，但终因价格和适用性等原因无法推广。因此，如何通过提高混凝土材料的抗氯离子渗透特性以从根本上减小或避免其对土木工程的损

5、坏十分重要。5范颖芳，等：纳米高岭土颗粒改性水泥基复合材料的性能中国正处于经济高速发展时期，诸多耗资巨大的重要构筑物，如跨海大桥、海底隧道、海上采油平台、海港、近海与海岸工程等已经或正在兴建，其中混凝土结构始终是普遍采用的结构形式。然而，海洋环境、融雪环境中水分和氯离子渗透至混凝土内部将直接导致钢筋锈蚀、混凝土开裂，进一步加速钢筋锈蚀，形成恶性循环致使混凝土结构劣化，甚至引发灾难性事故的工程案例不胜枚举。自20世纪50年代至今，氯离子在普通混凝土中渗透作用成为普遍关注的课题，学者们在氯离子扩散模型、氯离子渗透预测

6、、裂缝对氯离子渗透影响、荷载对氯离子渗透作用影响等方面开展了广泛的试验研究、理论分析和数值模拟，取得了丰硕的成果。然而，如何从材料层次出发，通过提高材料抗氯离子渗透特性以从根本上改善混凝土结构耐氯盐侵蚀性能的研究尚有待开展。氯离子在水泥基材料中的扩散性能受水灰比、水泥类型、混凝土配合比、养护条件等诸多因素有关。在实际工程中5，在混凝土中掺加不同种类的塑化剂降低混凝土氯离子渗透性，造成材料强度和延性降低。随着纳米技术在土木工程中的应用，学者们对混凝土中掺加纳米SiO2、纳米TiO2、纳米Fe2O3、Al2O3和高岭

7、土颗粒来改善混凝土性能，研究了不同纳米颗粒对水泥基材料增韧机理、物理力学性能等[14]方面的影响。He等[5]研究了蒙脱粘土、SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3等不同纳米颗粒对水泥砂浆抗氯离子渗透性的影响，研究表明当纳米颗粒掺量为水泥质量1%时，蒙脱粘土改性水泥砂浆28d氯离子扩散系数最小。另外，Tregger等[6]和Morsy等[7]研究表明纳米高岭土的双层结构能有效阻碍氯离子的渗透。因此，鉴于粘土材料低廉的价格，采用纳米高岭土改善水泥基材料的氯离子渗透性必将有十分广阔的应用前景。然而，目前有关纳米高

8、岭土改性水泥基材料氯离子渗透性、纳米高岭土最佳掺量等方面的定量研究成果尚较缺乏。为了研究高抗氯离子渗透性水泥混凝土，将纳米高岭土掺入水泥基材料，研究纳米高岭土颗粒对水泥基材料氯离子渗透性的改善效果，基于前期有关纳米高岭土在水泥基材料中分散性研究成果[8]，确定了提高水泥砂浆、水泥混凝土氯离子渗透性的高岭土最佳掺量，探讨了高岭土改性水泥基材料（包括水泥净浆、水泥砂浆和水泥混