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纳米SiO2对EPS超轻混凝土抗冻性能的影响
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【土木工程经济论文】摘要：聚苯乙烯泡沫塑料（简称EPS）超轻混凝土是一种新型的轻骨料混凝土，它以其优越的热工性能和显著的经济效益越来越受到工程界的重视。在其中添加纳米SiO2，能提高EPS超轻混凝土的抗冻性能，从而改善混凝土的微观结构和力学性能，研究纳米材料对EPS超轻混凝土抗冻性
摘要：聚苯乙烯泡沫塑料（简称EPS）超轻混凝土是一种新型的轻骨料混凝土，它以其优越的热工性能和显著的经济效益越来越受到工程界的重视。在其中添加纳米SiO2，能提高EPS超轻混凝土的抗冻性能，从而改善混凝土的微观结构和力学性能，研究纳米材料对EPS超轻混凝土抗冻性能的影响具有重要的意义，这种技术的广泛应用必将大大推动建筑业的发展，具有非常重要的工程实用价值和社会经济效益。
网
关键词:纳米SiO2；EPS超轻混凝土；抗冻性能
Abstract: Polystyrene foam (referred to as EPS), as a new lightweight concrete, is receiving more attention from engineering field thanks to its superior thermal performance and significant economic benefits.EPS lightweight concrete together with introduction of nano-SiO2, can improve the frost resistance, thereby enhancing the concrete microstructure and mechanical property The significant research about the effect of nano materials on the frost resistance property of the new lightweight concrete and the widespread application of the technology can promote the construction industry with very important practical value and social and economic benefits .
Key Words: Nano SiO2, EPS ultra lightweight concrete, frost resistance
中图分类号：TU528文献标识码：A 文章编号：
中图分类号: TU5文献标示码: A 文章编号: 0454-5648(2010)
纳米SiO2是指平均粒径在1～100nm之间的SiO2颗粒，其是纳米材料中的重要成员之一。纳米SiO2是一种无毒、无味、无污染的非金属材料。纳米SiO2为无定型白色粉末，其微结构呈絮状和网状的准颗粒结构，为球形。与同组成的微米SiO2材料相比，纳米SiO2的特殊结构使其具有独特的性质：分散性好，有巨大的比表面积，光学性能和化学稳定性优良。纳米SiO2是材料科学与凝聚态物理领域中的研究热点，并广泛应用于建筑材料、橡胶、工程塑料、涂料、胶粘剂、封装材料和化妆品等行业[1-4]。
EPS超轻混凝土与许多其他水泥基材料一样，传统上都将强度放在首位。纳米SiO2不但可以填充水泥的空隙，提高混凝土的流动度，更重要的是可改善混凝土中水泥石与骨料的界面结构，使混凝土强度、抗渗性与耐久性均得以提高[5]。硬化后的混凝土，其主要性质是应具有足够的强度和耐久性。纳米SiO2能明显地提高水泥硬化浆体的强度，特别是早期强度[6]。
1实验
EPS超轻混凝土耐久性的外界破坏力因素组成十分复杂，较常见的有冻融循环作用和淡水或盐类侵蚀作用。EPS超轻混凝土抗冻性的好坏一定程度上影响冻融循环质量，试验主要研究纳米SiO2对EPS超轻混凝土抗冻性的影响。
试验以纳米SiO2为变量，其掺入量分别为0、0.2％、0.5％、1％（取水泥质量的百分含量）。其它原料的配比为水泥（kg）：粉煤灰（kg）：石灰（kg）=100：28.6：14.3；水灰比为1.3。EPS超轻混凝土抗冻试验试件要求采用边长100mm×100mm×100mm的试件，每组三个。具体抗冻试验为：
1.1 试验器材
1）冷冻箱。箱内温度能保持-15～-20℃ 范围。2）融解水槽。装试件后水温能保持在15～20℃。3）框蓝。用钢筋焊成，其尺寸应与所装的试件相适应；试件的尺寸应根据混凝土中骨料的最大粒径表选定。每次试验所需的试件组数应符合规定，每组试件应为三块。
4）台秤。称量10kg，感量为5kg。5）液压式万能试验机（WE-30T）。精度至少为±2％，其量程应能使试件的预算破坏荷载值不小于全量程的20％，也不大于全量程的80％。
1.2 试验步骤
1）把经28天标准养护的试块拿出来进行冻融试验。应注意的是试件要在试验前4天从养护室取出放入15℃～20℃的水中浸泡，浸泡时水面至少要高出试件顶面20mm，冻融试件浸泡4天后进行冻融试验。对比试件则应保留在标准养护室内，直到完成冻融循环后，与抗冻试件同时试压。2）浸泡完毕后，取出试件，用湿布擦去试件表面水分、称重、按编号放入冷冻箱内温度应恒定在-15℃～-20℃。试件在箱内温度应恒定在-15℃。3）每次循环中试件的冻结时间应按其试件尺寸而定，对100mm×100mm×100mm的冻结时间都大于4h。
4）冻结试验结束后，试件取出并立即放入15℃～20℃的恒温水槽中进行融化。水面要高出试件20mm，试件在水中的融化时间应不少于4h。融化完毕即为一次冻融循环结束。取出试件擦净水再次送入冷冻箱，进行下一次循环试验。5）应经常对试件进行外观检查，若发现试件有严重破坏时进行称量其重量，当试件的平均失重率超过5%时，应立即停止冻融试验。6）当EPS超轻混凝土试件达到规定的冻融循环次数后，立即进行抗压试验。抗压试验前应称重，并进行外观检查，详细记录试件表面破损?p裂缝及边角破损情况，如果试件表面破损严重，则应用石膏找平后再进行试压。
（3）结果评定
EPS超轻混凝土的抗冻等级，以同时满足强度损失率≤25%，质量损失率≤5%的最大冻融循环次数来表示。若上述两个指标均达到要求则判断为合格，若其中两项或一项达不到上述要求，则判断抗冻等级不合格。
2 结果与讨论
纳米SiO2对混凝土抗冻性能影响的试验结果见表1-1。试样编号1、2、3、4分别代表纳米SiO2在EPS超轻混凝土掺量的 0、0.2％、0.5％、1％（取水泥质量的百分含量）。
从表1-1可知，在EPS超轻混凝土中，纳米SiO2掺量从0%～1.0%增加时，EPS混凝土试块的质量损失率和强度损失率都随之降低，但强度损失率降低幅度较大，从而提高EPS超轻混凝土的抗冻性能。当纳米SiO2的掺量为1.0%时，EPS超轻混凝土的质量损失率为1.47%，强度损失率为8.9%。
EPS超轻混凝土的抗冻性抗冻破坏的主要原因是混凝土内部由于存在一定数量的毛细孔，当吸水饱和后，毛细孔内充满自由水。经低温冷冻后水结冰，造成体积膨胀，冷冻结束后重新融化，体积缩小，如此往复体积不断变化最终造成混凝土发生起皮，剥落，至开裂破坏。因此改善EPS超轻混凝土的抗渗性的也就能大幅改善其抗冻性， 当纳米SiO2掺量增加时，EPS混凝土的密实度提高，内部毛细孔减少，抗渗性能得到改善，因此EPS超轻混凝土的抗冻性能得到提高。同时由于掺入纳米SiO2，可以填充内部孔隙，可以减少混凝土的收缩和徐变，对EPS超轻混凝土的抗冻性能也有所改善。
同样由于随着纳米SiO2掺量的增加，混凝土的抗渗性能会有一定程度的降低，导致其抗冻性能也会减弱。
3 结 论
由实验结果可知，加入纳米SiO2的EPS超轻混凝土的微观结构均不存在明显裂纹。经冻融循环后的混凝土试块内部空隙更多，体积也更大，这是由于孔隙内水分结冰，融化反复膨胀后导致的。同样可以发现随着混凝土中纳米SiO2的增加，孔隙数量减少，孔径减小。因而EPS超轻混凝土的抗冻性能得到改善，同时由于孔隙减少，EPS超轻混凝土抗压强度也得到提高。
[1] William K F, Chase L L. Ground-state depleted solid-state lasers: principles, characteristics and scaling [J]. Opt Quantum Election, 1990, 22：1?C22.
[2] V.Ducman,A.Mladenovic,J.S.Suput，LightweightAggregate Basedon Waste Glass and Its Alkalisia Reactivity[J]，Cement and Concrete Research，2002，14(2)：116-121.
[3] K.Canesb Habu,D.Saradbi Habu，Behavior of lightweight expanded polystyrene concrete containing silica fume[J]，Cernent and Concrete Research，2003，33：60-65.
[4] J Dutta 、Hofmann H、Houriet R,at al，Crystallization of Nanosized Silicon Powder Pr pared by Plasma-induced Clustering Reactions[J]，AichE Journal，1997，43(11)：2610-2615.
[5] 张立德、牟季美，纳米材料和纳米结构[M]，北京：科学出版社，2001,8~24.
[6] 叶青、张泽南等，纳米SiO2与水泥硬化浆体中Ca(OH)2的反应[J]，硅酸盐学报，2003, 31(5): 517-522.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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