納米復合材料水泥混凝土在房屋基礎結構中的應用研究

董鳳霞 DONG Feng-xia

（壽光市建筑業發展中心，濰坊 262700）

0 引言

近年來，納米材料在各個行業中均得到了廣泛的應用，一般認為，當材料的粒徑在100nm以內時，便可以稱之為納米材料。納米材料擁有更小的比表面積，其相應的化學反應速度更快，反應也更加劇烈[1-3]。另一方面，水泥混凝土由于水泥熟料在水化過程中，產生了大量的微小孔隙，甚至是微小裂紋，而這些現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，已經有許多學者開始將納米材料在水泥混凝土中應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，可以進行水化，水化產物具有一定的強度，也有部分納米材料能夠與水泥水化產物反應，進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一步得到提升，也為水泥混凝土的相關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的使用現在也十分常見，研究表明，當納米Fe2O3摻入水泥混凝土后，其水化產物擁有很好抗折、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在相關工程中已經被分別使用了，并且取得了工程技術人員的一致肯定，工程應用效果良好。

在房屋基礎結構中，往往受到地下水分的侵蝕，加上自身的受力特點，要求基礎結構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?？傊畬炷恋囊筝^高，普通混凝土很難滿足其相關要求，特別是一些高層建筑或重大工程，因此需要發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到上述要求，于是科研技術人員便著手開展復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性能。但是受限于研究起步晚、學科交叉影響較大，我國在該領域的研究始終未能有較大的建樹。同時，相關工程的應用更是鮮有報道，很多施工單位以研究成果不成熟，實體工程應用效果不清晰拒絕在其工程當中使用復合納米材料水泥混凝土，由此可見，納米復合材料水泥混凝土的研究、設計與應用已經得迫在眉睫[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，提出納米復合材料水泥混凝土材料設計方法，并進行技術性能的測試。最終在研究成果的基礎上，在濰坊某高層建筑的基礎工程中進行了使用，檢測并觀察了其效果。

1 納米復合材料水泥混凝土材料配合比設計

本文選擇納米SiO2和納米Fe2O3為原材料，并根據前人的研究成果，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，利用正交點設計出能夠體現差異性的試驗設計，試驗結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?；诖?，文章設計了正交試驗。提出了以下工況進行了水泥混凝土的配合比設計，共設計了6種工況，涵蓋了多種不同的摻量。如表1所示。

表1 納米復合材料水泥混凝土的材料配合比

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，進行了必要的調整。對上述各個工況的納米復合材料水泥混凝土進行3d、7d、28d的抗壓強度試驗、抗折強度試驗，并根據試驗結果確定最佳組分。

2 納米復合材料水泥混凝土技術性能

根據上文所提到的設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，試驗結果具有顯著的規律性，這也充分表現出了正交試驗在多因素、多水平的復雜試驗中的優越性及有效性。

根據試驗設計，對上述6種工況的納米復合材料水泥混凝土進行3d、7d、28d的抗壓強度試驗，試驗結果匯總于圖1中。

圖1 各工況抗壓強度試驗結果

圖1顯示，不同齡期納米復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，均達到了早強型混凝土的基本要求，此外，各工況的納米復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合材料水泥混凝土的抗壓強度達到最大值。這一結果在3d和7d的抗壓強度始終不變。不難看出，在工況4處，納米復合材料水泥混凝土的抗壓強度達到最大值，說明工況4所代表的材料組合擁有最佳的抗壓強度，即當納米SiO2摻量為水泥質量的1.5%和納米Fe2O3摻量為水泥質量的1.2%時，納米復合材料水泥混凝土擁有最大的抗壓強度。

出現上述現象的原因歸結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，能夠強化其水化產物的質量，并借助其自身比表面積大的優勢，所形成的水化產物擁有較小的尺寸，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。

根據上文所提到的設計方案，對上述6種工況的納米復合材料水泥混凝土進行3d、7d、28d的抗折強度試驗，試驗結果匯總于圖2中。

圖2 各工況抗折強度試驗結果

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則明顯出現了下降。對比各組分的比例，可以得到以下結論：納米Fe2O3對納米復合材料水泥混凝土的抗折強度的提升是有著主導作用的，而納米SiO2相較于納米Fe2O3而言則顯得小的多。對比工況1-4，還可以發現，當納米復合材料水泥混凝土中納米Fe2O3的摻量達到水泥質量的1.2%時，其對混凝土強度的提升作用便達到了頂峰，即便是工況1中納米Fe2O3的摻量是工況4的2.5倍，但也并未在納米復合材料水泥混凝土的抗折強度上體現出明顯的差異。說明納米Fe2O3的最佳摻量在水泥質量的1.2%左右。

綜合統計與分析試驗過程中的各種試驗結果與試驗現象，結合經濟因素，本文推薦工況4為納米復合材料水泥混凝土的推薦配比，即納米復合材料水泥混凝土中納米SiO2的摻量為水泥質量的1.5%左右，納米Fe2O3的摻量為水泥質量的1.2%左右。

3 納米復合材料水泥混凝土在房屋基礎結構中的應用實例

上述研究成果表明，納米復合材料水泥混凝土在力學性能方面具有非常好的性能，這非常符合高層建筑基礎結構對水泥混凝土的要求。為此，依托相關工程企業，在某高層建設過程中，使用了本研究成果，具體情況如下。

本項目涉及的基礎采用滿堂基礎，其受力面積大，受力均勻，其所采用的納米復合材料水泥混凝土要求為C35等級，在澆筑過程中，選擇了12處基礎進行澆筑，同時與傳統的水泥混凝土進行了對比，各種性能要求如表2所示。

表2 項目滿堂基礎所采用的C35納米復合材料水泥混凝土性能檢測結果

從表2可以看出，該工程所采用的納米復合材料水泥混凝土的各項性能均滿足相關要求，同時表現優良，從坍落度及現場泵送情況來看，其施工和易性良好，凝結硬化后未發現模板填充不實的現象，且與鋼筋的握裹情況良好，得到了現場技術人員的肯定。在施工過程中，通過與傳統的水泥混泥土的對比，發現，本文目前該工程已經竣工驗收5年有余，從后續跟蹤檢測情況來看，文章所提出的納米復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勢。此外，工程沒有出現病害，其地面相關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的進入，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。上述現象說明納米復合材料水泥混凝土在房屋基礎工程使用效果良好，具有較大的推廣應用價值。

4 主要結論

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工程中進行了使用。本文主要的研究結論如下：

①不同齡期納米復合材料水泥混凝土的強度不同，且達到了早強型混凝土的要求。

②當納米SiO2摻量為水泥質量的1.5%和納米Fe2O3摻量為水泥質量的1.2%時，納米復合材料水泥混凝土擁有最大的抗壓強度。

③納米Fe2O3對納米復合材料水泥混凝土的抗折強度的提升是有著主導作用的，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量的1.2%左右。

⑤納米復合材料水泥混凝土中納米SiO2的推薦摻量為水泥質量的1.5%左右，納米Fe2O3的推薦摻量為水泥質量的1.2%左右。

⑥納米復合材料水泥混凝土在房屋基礎工程使用效果良好，具有較大的推廣應用價值。