[01313757]掺加纳米微粉提高桥梁混凝土抗渗、抗盐冻性能的研究

1.课题来源与背景 “掺加纳米微粉提高桥梁混凝土抗渗、抗盐冻性能的研究”是2014年7月市科技局立项,由哈尔滨市科技创新人才基金资助的科研项目,项目编号：2014RFXXJ115,此项目于2014年7月开始实施,2017年12月完成。 根据桥梁所处的地区不同,桥梁混凝土受到不同破坏因素的影响,如冻融循环、干湿交替、某些化学物质的侵蚀和温度变化的作用,以及机械磨损作用等。特别是桥墩,常年处于水中,经受腐蚀介质的侵蚀,水位升降范围内,承受干湿循环、冻融破坏。优质混凝土在各种暴露条件下,相对来说是耐久的,但对于混凝土材料品质低下,混凝土配比选择不当,施工操作粗糙形成的潜在的混凝土缺陷,在这种严酷的使用环境下,极易使混凝土很快受到破坏。除冰盐对混凝土的破坏从本质上看是冻融破坏的一个特殊形式,国内外学者研究表明,冻融和盐的耦合作用比单纯的冻融破坏严酷的多,除冰盐加剧了混凝土的冻融破坏。哈尔滨地处我国东北严寒地区,降雪量大,路面和桥面积雪和冰冻严重。为保证交通正常运行,最常用的方法就是在路面和桥面撤除冰盐。而各类除冰盐都会引起混凝土路面的严重剥蚀开裂和混凝土桥面钢筋锈蚀,哈尔滨因冬季撒盐除雪造成的混凝土结构盐冻破坏非常普遍,许多道路跟桥梁的使用时间不足10年,混凝土结构即产生了非常严重的剥蚀,钢筋锈蚀也较严重,严重地影响到桥梁混凝土的使用寿命,增加养护维修费用。 2.技术原理及性能指标 本项目的研究是将纳米材料加入到桥梁混凝土中,利用纳米粒子巨大的比表面和特殊的表面特性,使纳米微粉在水泥复合材料中起到晶核的作用,钙矾石在纳米粉体表面形成,C-S-H凝胶在其表面键合,改善混凝土微孔结构,封堵混凝土中的孔隙,提高混凝土的密实程度,更重要的是在水泥硬化浆体原有网络结构的基础上又建立了一个新的网络,它以纳米微粉为网络结点,键合更多纳米级的C-S-H凝胶,并键合成三维网络结构,使得混凝土更加密实,减少腐蚀介质的侵入,提高混凝土桥梁的使用性能、减少早期损坏、延长使用寿命,降低养护费用。 以C40混凝土为基准,纳米SiO2掺量为1.5%进行技术指标评定。 （1）纳米SiO2混凝土与空白混凝土抗压强度比较：7d龄期抗压强度提高11.4%,28d龄期提高6.4%,56d龄期提高11.5%; （2）纳米SiO2混凝土与空白混凝土抗渗性能比较：28d龄期电通量较空白混凝土降低53.6%,56d龄期电通量降低60.0%,抗渗等级由中等提高至很低,提高幅度很大; （3）纳米SiO2混凝土与空白混凝土抗盐冻性能比较：第28次冻融循环时,空白混凝土试件破损严重,表面面积剥落物总质量大于1500 g/㎡,超声波相对动弹模量降低超过80%,已不能满足使用要求。40次冻融循环后,纳米SiO2掺量为1.5%的纳米混凝土两项指标仍满足要求,其冻融循环次数较空白混凝土提高8次。 3.技术创新点 （1）将纳米材料加入到桥梁混凝土中,以纳米微粉为网络结点,键合更多纳米级C-S-H凝胶,并键合成三维网络结构,使得混凝土更加密实,提高桥梁混凝土抗渗等级; （2）以纳米材料为晶核,在其颗粒表面形成水化硅酸钙凝胶相,再以纳米材料为核心形成界面结构均匀致密的网状结构,阻断盐水介质渗透的通道,减小孔隙水结冰的冻胀作用,提高桥梁混凝土抗盐冻性能。 4.技术的成熟程度,适用范围和安全性 以水泥、引气型高效减水剂为基本材料,选择几种不同的纳米材料,发挥纳米粒子比表面积大和表面自由能大等特点,使其与水泥石中的水化产物产生键合。①通过室内试验,确定纳米混凝土拌和工艺;②通过对用纳米改善的水泥胶砂和混凝土性能进行测试及微观分析,确定纳米SiO2作为改性水泥混凝土的纳米材料;③确定纳米材料掺量为水泥剂量的1.5%,提高了纳米桥梁混凝土抗渗抗盐冻性能,提高了桥梁混凝土的使用寿命。 本项目研究选定的纳米SiO2已实现大规模工业化生产、价格较低,应用前景广泛。并且添加量仅为水泥用量（质量比）的1.5%,但其巨大的比表面和特殊的表面特性,显著地改善了混凝土微孔结构,封堵混凝土中的孔隙,提高混凝土的密实程度,在大大改善混凝土性能的同时,不会使成本有大的提高,从根本上提高了材料的性价比,因而可取得较高的经济效益和资源效益。