納米材料水泥混凝土在房屋結(jié)構(gòu)中運用

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摘要：為了研究本納米復(fù)合材料水泥混凝土的材料配比及其在房屋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中是否可以應(yīng)用，選擇了納米SiO2和納米Fe2O3為原材料，研究了兩種納米材料在水泥混凝土中的合理摻量，提出納米復(fù)合材料水泥混凝土材料的推薦用量，并將研究成果在濰坊某高層建筑的基礎(chǔ)工程中進(jìn)行了使用。本文主要的研究結(jié)論如下：不同齡期納米復(fù)合材料水泥混凝土的強度不同，且達(dá)到了早強型混凝土的要求；當(dāng)納米SiO2摻量為水泥質(zhì)量的1.5%和納米Fe2O3摻量為水泥質(zhì)量的1.2%時，納米復(fù)合材料水泥混凝土擁有最大的抗壓強度；納米Fe2O3對納米復(fù)合材料水泥混凝土的抗折強度的提升是有著主導(dǎo)作用的；納米復(fù)合材料水泥混凝土在房屋基礎(chǔ)工程使用效果良好，具有較大的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：納米復(fù)合材料；納米Fe2O3；納米SiO2；房屋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

0引言

近年來，納米材料在各個行業(yè)中均得到了廣泛的應(yīng)用，一般認(rèn)為，當(dāng)材料的粒徑在100nm以內(nèi)時，便可以稱之為納米材料。納米材料擁有更小的比表面積，其相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速度更快，反應(yīng)也更加劇烈[1-3]。另一方面，水泥混凝土由于水泥熟料在水化過程中，產(chǎn)生了大量的微小孔隙，甚至是微小裂紋，而這些現(xiàn)象對后期混凝土材料的破壞起到了加速作用。工程中一般采用外加劑的方式來提高水泥混凝土的各項性能，雖然取得了一定的效果，但在高性能混凝土的設(shè)計過程中仍然存在著較大的障礙。隨著納米材料的興起，為高性能水泥混泥土在材料的選擇中提供了新的思路，已經(jīng)有許多學(xué)者開始將納米材料在水泥混凝土中應(yīng)用并取得了一定的成果[4-8]。納米材料借助其較小的粒徑與分散性，能夠均勻的分散在水泥混凝土中，同時部分納米材料具有一定的活性，可以進(jìn)行水化，水化產(chǎn)物具有一定的強度，也有部分納米材料能夠與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)，進(jìn)一步的生成強度更高、密實性更好得到水化物。無疑，部分納米材料的添加是的水泥混凝土的性能得到了進(jìn)一步得到提升，也為水泥混凝土的相關(guān)研究工作打開了一條新的途徑。水泥混凝土中最常見的納米材料外加劑是納米SiO2，相關(guān)研究表明，納米SiO2的摻入可以有效地提高水泥混凝土的早期強度，其水化速度快，水化產(chǎn)物粒徑小，能夠很好的填充水泥混凝土的微小孔隙，對高性能混凝土性能的提高具有顯著的提升作用。另外納米Fe2O3的使用現(xiàn)在也十分常見，研究表明，當(dāng)納米Fe2O3摻入水泥混凝土后，其水化產(chǎn)物擁有很好抗折、抗磨及變形性能，從而可以有效的提高水泥混凝土的抗折強度以及耐磨性能[9]。所以外納米Fe2O3和納米SiO2在相關(guān)工程中已經(jīng)被分別使用了，并且取得了工程技術(shù)人員的一致肯定，工程應(yīng)用效果良好。在房屋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，往往受到地下水分的侵蝕，加上自身的受力特點，要求基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所使用的混凝土需要擁有較好密實性、抗壓強度及抗折強度。總之對混凝土的要求較高，普通混凝土很難滿足其相關(guān)要求，特別是一些高層建筑或重大工程，因此需要發(fā)明一種具有良好密實程度、且抗壓強度、抗折強度及變形性能良好的混凝土。在這種情況下，單一的納米材料混凝土目前很難達(dá)到上述要求，于是科研技術(shù)人員便著手開展復(fù)合納米材料對水泥混凝土性能的研究工作，試圖通過納米材料之間的互補性提升水泥混凝土的技術(shù)性能。但是受限于研究起步晚、學(xué)科交叉影響較大，我國在該領(lǐng)域的研究始終未能有較大的建樹。同時，相關(guān)工程的應(yīng)用更是鮮有報道，很多施工單位以研究成果不成熟，實體工程應(yīng)用效果不清晰拒絕在其工程當(dāng)中使用復(fù)合納米材料水泥混凝土，由此可見，納米復(fù)合材料水泥混凝土的研究、設(shè)計與應(yīng)用已經(jīng)得迫在眉睫[10]。基于上述分析，本文選擇了納米SiO2和納米Fe2O3為原材料，開展兩種材料對水泥混凝土的復(fù)合改性研究，研究兩種納米材料在水泥混凝土中的合理摻量，提出納米復(fù)合材料水泥混凝土材料設(shè)計方法，并進(jìn)行技術(shù)性能的測試。最終在研究成果的基礎(chǔ)上，在濰坊某高層建筑的基礎(chǔ)工程中進(jìn)行了使用，檢測并觀察了其效果。

1納米復(fù)合材料水泥混凝土材料配合比設(shè)計

本文選擇納米SiO2和納米Fe2O3為原材料，并根據(jù)前人的研究成果，試驗過程中，為了對納米SiO2和納米Fe2O3的影響進(jìn)行研究，同時考慮試驗工作量過大對研究造成的干擾，文章在試驗設(shè)計階段采取了正交試驗的方法，該方法可以對多因素多水平下，利用正交點設(shè)計出能夠體現(xiàn)差異性的試驗設(shè)計，試驗結(jié)果能夠有效的描述各影響因素的作用的效果，同時還可以找出特征點，大大的減小了試驗的總工作量。基于此，文章設(shè)計了正交試驗。提出了以下工況進(jìn)行了水泥混凝土的配合比設(shè)計，共設(shè)計了6種工況，涵蓋了多種不同的摻量。如表1所示。表1中所用的水泥為硅酸鹽水泥，52.5級，砂為中砂，石為碎石。用水量按照坍落度65mm控制，進(jìn)行了必要的調(diào)整。對上述各個工況的納米復(fù)合材料水泥混凝土進(jìn)行3d、7d、28d的抗壓強度試驗、抗折強度試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果確定最佳組分。

2納米復(fù)合材料水泥混凝土技術(shù)性能

根據(jù)上文所提到的設(shè)計方案開展了水泥混泥土不同齡期的抗壓強度以及抗折強度試驗，試驗結(jié)果具有顯著的規(guī)律性，這也充分表現(xiàn)出了正交試驗在多因素、多水平的復(fù)雜試驗中的優(yōu)越性及有效性。根據(jù)試驗設(shè)計，對上述6種工況的納米復(fù)合材料水泥混凝土進(jìn)行3d、7d、28d的抗壓強度試驗，試驗結(jié)果匯總于圖1中。圖1顯示，不同齡期納米復(fù)合材料水泥混凝土的強度不同，但無論哪種工況，其3d的抗壓強度均接近或超過28d抗壓強度的一半，均達(dá)到了早強型混凝土的基本要求，此外，各工況的納米復(fù)合材料水泥混凝土的抗壓強度有著較大不同，這說明存在一種合理的組合使得納米復(fù)合材料水泥混凝土的抗壓強度達(dá)到最大值。這一結(jié)果在3d和7d的抗壓強度始終不變。不難看出，在工況4處，納米復(fù)合材料水泥混凝土的抗壓強度達(dá)到最大值，說明工況4所代表的材料組合擁有最佳的抗壓強度，即當(dāng)納米SiO2摻量為水泥質(zhì)量的1.5%和納米Fe2O3摻量為水泥質(zhì)量的1.2%時，納米復(fù)合材料水泥混凝土擁有最大的抗壓強度。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因歸結(jié)到納米材料自身的性能上，納米SiO2的摻入對水泥熟料水化過程中的速度是有一定的助推作用的，能夠強化其水化產(chǎn)物的質(zhì)量，并借助其自身比表面積大的優(yōu)勢，所形成的水化產(chǎn)物擁有較小的尺寸，能夠有效的填充水泥混凝土的中微小孔隙，從而提高水泥混凝土的密實程度。而納米Fe2O3的摻入的改善原理與，納米SiO2相仿，此外，其水化產(chǎn)物強度也是十分高的，這對于提高其混凝土的強度是非常有幫助的。根據(jù)上文所提到的設(shè)計方案，對上述6種工況的納米復(fù)合材料水泥混凝土進(jìn)行3d、7d、28d的抗折強度試驗，試驗結(jié)果匯總于圖2中。從圖2可以看出，各工況的抗折強度差異性是相對的，工況1-4的同齡期的（3d、7d以及28d）抗折強度基本相仿，而工況5-7則明顯出現(xiàn)了下降。對比各組分的比例，可以得到以下結(jié)論：納米Fe2O3對納米復(fù)合材料水泥混凝土的抗折強度的提升是有著主導(dǎo)作用的，而納米SiO2相較于納米Fe2O3而言則顯得小的多。對比工況1-4，還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米復(fù)合材料水泥混凝土中納米Fe2O3的摻量達(dá)到水泥質(zhì)量的1.2%時，其對混凝土強度的提升作用便達(dá)到了頂峰，即便是工況1中納米Fe2O3的摻量是工況4的2.5倍，但也并未在納米復(fù)合材料水泥混凝土的抗折強度上體現(xiàn)出明顯的差異。說明納米Fe2O3的最佳摻量在水泥質(zhì)量的1.2%左右。綜合統(tǒng)計與分析試驗過程中的各種試驗結(jié)果與試驗現(xiàn)象，結(jié)合經(jīng)濟因素，本文推薦工況4為納米復(fù)合材料水泥混凝土的推薦配比，即納米復(fù)合材料水泥混凝土中納米SiO2的摻量為水泥質(zhì)量的1.5%左右，納米Fe2O3的摻量為水泥質(zhì)量的1.2%左右。

3納米復(fù)合材料水泥混凝土在房屋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實例

上述研究成果表明，納米復(fù)合材料水泥混凝土在力學(xué)性能方面具有非常好的性能，這非常符合高層建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對水泥混凝土的要求。為此，依托相關(guān)工程企業(yè)，在某高層建設(shè)過程中，使用了本研究成果，具體情況如下。本項目涉及的基礎(chǔ)采用滿堂基礎(chǔ)，其受力面積大，受力均勻，其所采用的納米復(fù)合材料水泥混凝土要求為C35等級，在澆筑過程中，選擇了12處基礎(chǔ)進(jìn)行澆筑，同時與傳統(tǒng)的水泥混凝土進(jìn)行了對比，各種性能要求如表2所示。從表2可以看出，該工程所采用的納米復(fù)合材料水泥混凝土的各項性能均滿足相關(guān)要求，同時表現(xiàn)優(yōu)良，從坍落度及現(xiàn)場泵送情況來看，其施工和易性良好，凝結(jié)硬化后未發(fā)現(xiàn)模板填充不實的現(xiàn)象，且與鋼筋的握裹情況良好，得到了現(xiàn)場技術(shù)人員的肯定。在施工過程中，通過與傳統(tǒng)的水泥混泥土的對比，發(fā)現(xiàn)，本文目前該工程已經(jīng)竣工驗收5年有余，從后續(xù)跟蹤檢測情況來看，文章所提出的納米復(fù)合材料水泥混凝土無論是在施工和易性上、模板的填充情況上、與鋼筋的握裹情況上均有著一定的程度的優(yōu)勢。此外，工程沒有出現(xiàn)病害，其地面相關(guān)裂縫明顯少于對比工程，這對于混凝土的耐久性是十分有利的，裂縫的減小能夠有效地阻止水分以及其他的有害物質(zhì)的進(jìn)入，對于延緩水泥混凝土的腐蝕、減小鋼筋的銹蝕、提高水泥混凝土的耐久性均具有一定的作用。上述現(xiàn)象說明納米復(fù)合材料水泥混凝土在房屋基礎(chǔ)工程使用效果良好，具有較大的推廣應(yīng)用價值。

4主要結(jié)論

本文主要開展的工作如下：選擇了納米SiO2和納米Fe2O3為原材料，開展了兩種材料對水泥混凝土的復(fù)合改性研究，研究了兩種納米材料在水泥混凝土中的合理摻量，提出納米復(fù)合材料水泥混凝土材料的推薦用量，并將研究成果在濰坊某高層建筑的基礎(chǔ)工程中進(jìn)行了使用。本文主要的研究結(jié)論如下：①不同齡期納米復(fù)合材料水泥混凝土的強度不同，且達(dá)到了早強型混凝土的要求。②當(dāng)納米SiO2摻量為水泥質(zhì)量的1.5%和納米Fe2O3摻量為水泥質(zhì)量的1.2%時，納米復(fù)合材料水泥混凝土擁有最大的抗壓強度。③納米Fe2O3對納米復(fù)合材料水泥混凝土的抗折強度的提升是有著主導(dǎo)作用的，而納米SiO2相較于納米Fe2O3小的多。④納米Fe2O3的最佳摻量在水泥質(zhì)量的1.2%左右。⑤納米復(fù)合材料水泥混凝土中納米SiO2的推薦摻量為水泥質(zhì)量的1.5%左右，納米Fe2O3的推薦摻量為水泥質(zhì)量的1.2%左右。⑥納米復(fù)合材料水泥混凝土在房屋基礎(chǔ)工程使用效果良好，具有較大的推廣應(yīng)用價值。

作者：董鳳霞 單位：壽光市建筑業(yè)發(fā)展中心