（固体力学专业论文）纳米混凝土试验与应用模拟分析.pdf

j - ， i着浮t雩，鼍 摘要 摘要 混凝土是工程中广泛应用的建筑材料。然而工程实践表明，在特殊环境下 的和一些重要的结构及重要部位的构件对混凝土的工作性能提出了更高的要 求。选择适宜的外掺剂改善混凝土性能是解决这一问题的重要途径。随着纳米 科技的发展以及纳米材料在混凝土等水泥基材料中的应用，在混凝土中掺入性 能优异的n a n o s i 0 2 将成为解决上述问题的一种新的尝试。 本文将纳米混凝土的主要力学性能( 抗压强度、抗折强度、弹性模量) 进行 了详细的试验分析与研究，并对太阳辐射下纳米混凝土箱梁进行了温度场以及 温度应力数值模拟分析。本文的研究中具体的工作和成果有： 1 设计了纳米混凝土主要力学性能试验，并测定了纳米混凝土热物理性能， 通过对试验数据的拟合获得了纳米混凝土力学性能的估算表达式。 2 根据热传导有限单元法原理，对纳米混凝土箱梁结构的温度场进行了数 值模拟分析。 3 分别用平面模型和空间模型模拟计算了纳米混凝土箱梁温度应力并进行 了比较。 试验和计算分析表明，纳米混凝土具有良好的力学性能，考虑到经济性和 合理性，建议工程最佳n a n o s i 0 2 掺入比选用1 0 1 5 ，替代水泥3 3 3 - - - 1 0 。 通过分析推导，得出了纳米混凝土抗压强度与弹性模量之间的关系 e 一地+ m ，得到了回归系数之间的关系表达式f 。丢，m = 置一丢岛。 关键词：纳米s i 0 2 ；混凝土试验；温度场；温度应力；模拟分析 i l 劈j|r堍 气z叠 a b s t r a c t a b s t r a c t c o n c r e t eh a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e dt og r o u n dt r e a t m e n t , h o w e v e r , e n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e ss u g g e s tt h a ts p e c i f i c a l l ye n v i r o n m e n ta n dh i g l lr e q u i r eo ft h ei m p o r t a n t p a r th a sr e s t r i c t e di t s f u r t h e ra p p l i c a t i o ni nt h ee n g i n e e r t oi m p r o v ee n g i n e e r i n g p r o p e r t i e d ，m a n y a d d i t i v e sh a v eb e e na d d e dt oc o n c r e t e w i t ht h e p r o g r e s so f n a n o m e t e rt e c h n o l o g y , n a n o m e t e rm a t e r i a l sh a v e b e e na p p l i e dt om o d i f y c e m e n t b a s e dm a t e r i a l s ，s oi ti sat a i lt oi n t r o d u c en a n o m e t e rm a t e r i a lw i t hp a r t i c u l a r c h a r a c t e r i s t i c st oc o n c r e t ea san e wk i n do fa d d i t i v e i nt h ep a p e r , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fn a n o m e t e rc o n c r e t e ( c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ，a n t i f l e xs t r e n g t h ，e l a s t i cm o d u l u s ) i sr e s e a r c h e di nd e t a i l ，a n da c c o r d i n g t ot h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o ds i m u l a t i o na n a l y z e dt e m p e r a t u r ef i e l da n dt e m p e r a t u r e s t r e s so ft h en a n o m e t e rc o n c r e t e s o m ew o r ka n da c h i e v e m e n t si nt h er e s e a r c ha s f o l l o w ： 1 am e c h a n i cp r o p e r t i e so fn a n o m e t e rc o n c r e t et e s t sa r ep e r f o r m e d ，a n dt h e n a n o m e t e rc o n c r e t ef e r v e n t p h y s i c a lp r o p e r t i e d a r em e a s u r e d b a s e do nt h e e x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ee x p r e s s i o no fm e c h a n i cp r o p e r t i e so fn a n o m e t e rc o n c r e t ei s o b t a i n e dw i t ht h ew a yo fc u r v ef i t 2 a c c o r d i n gt o t h et h e r m a lc o n d u c tt h e o r ya n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， s u m i l a t e da n da n a l y z e di n t r o d u c e dt h et e m p e r a t u r ef i e l di nn a n o m e t e rc o n c r e t eb o x g i r d e rb r i d g e d 3 t h e t e m p e r a t u r e s t r e s si nb o xg i r d e ri ss u m i l a t i o nc a l c u l a t e di n t w o d i m e n s i o nm o d e la n dt h r e e - d i m e n s i o nm o d e lr e s p e c t i v e l y , t w or e s u l t sa r e c o m p a r e de a c ho t h e rt o o b o t ht e s ta n da n a l y t i c a lr e s u l ts h o wt h a t ：n a n o m e t e rc o n c r e t eh a v ef a v o r a b l e m e c h a n i cp r o p e r t i e s i nt h ep a p e r i ti ss u g g e s tt h a tn a n o - s i 0 2a d d i t i o n s1 0 1 5 t oc o n c r e t es u b s t i t u t i o nf o rc e m e n t3 3 3 1 0 i nt h ee n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e s a c c o r d i n g t o a n a l y t i c a l a n dd e r i v a t i o n ，t h er e l a t i o n so fn a n o m e t e rc o n c r e t e c o m p r e s s i v es t r e n g t h a n de l a s t i cm o d u l u si s e 一地+ m ，t h er e l a t i o n s o f i i i p ，_；飞 r飞，；萨i_。t ，产，ri a b s t r a c t r e g r e s s i o nc o e f f i c i e n ta r ep e r f o r m e d ： n 丢肌e 一丢风 k e yw o r d s ：n a n o s i 0 2 ；c o n c r e t et e s t ；t e m p e r a t u r ef i e l d s ；t e m p e r a t u r es t r e s s ； s i m u l a t i o na n a l y s i s i v ，f1气。摹 产： 气 i 净 妒 目录 目录 第1 章绪论一1 1 1 弓i 言1 1 2 课题研究的背景与意义1 1 3 国内外研究现状2 1 3 1 国外研究现状”2 1 3 2 国内研究现状3 1 4 课题的来源及主要研究内容和方法4 1 4 1 课题来源4 1 4 2 主要研究内容“4 1 4 - 3 主要研究方法”5 1 5 小结5 第2 章纳米混凝土试验设计及标准”6 2 1 引言6 2 2 原材料6 2 2 1 水泥6 2 2 2 纳米s i 0 2 “7 2 2 3 化学外加剂”7 2 2 4 粗细骨料及拌合用水7 2 3 试验设计9 2 4 试件制备、试验仪器设备与参考标准1 1 2 4 1 纳米混凝土试件制备”1 1 2 4 2 试验仪器设备与参考标准规范”1 2 2 5 小结1 2 第3 章纳米混凝土抗压强度研究1 3 3 1 引言1 3 v 气) 、，；( 目录 3 2 试验方案1 3 3 3 试验结果1 4 3 4 分析与讨论1 6 3 4 1 纳米混凝土组成结构分析1 6 3 4 2 纳米混凝土抗压强度与龄期的关系1 7 3 4 3 纳米混凝土抗压强度与n a n o s i 0 2 掺入比的关系2 1 3 4 4 纳米混凝土抗压强度与实际水灰比( w b ) 的关系2 4 3 5 小结2 6 第4 章纳米混凝土抗折强度研究2 7 4 1 试验方案“2 7 4 2 试验结果”2 7 4 3 分析与讨论2 9 4 3 1 一般分析2 9 4 3 2 纳米混凝土抗折强度与龄期的关系”2 9 4 3 3 纳米混凝土抗折强度与n a n o s i 0 2 掺入比的关系3 2 4 3 4 纳米混凝土抗折强度与实际水灰比( w 倍) 的关系3 5 4 4d 、结3 6 第5 章纳米混凝土弹性模量及其他特性研究”3 7 5 1 纳米混凝土弹性模量”3 7 5 1 1 试验方案3 7 5 1 2 试验结果3 7 5 1 3 分析与讨论”3 9 5 2 纳米s i 0 2 的其他特性及纳米混凝土的微观结构4 6 5 2 1 纳米s i 0 2 的其他特性一4 6 5 2 2 纳米混凝土微观结构一4 6 5 3 小结4 9 第6 章纳米混凝土箱梁温度场模拟分析5 1 6 1 引言5 1 6 2 太阳辐射下箱梁中的热交换”5 1 v l 4 ， 勺 _ 、 j 目录 6 3 太阳辐射日过程“5 2 6 4 温度场有限元分析5 6 6 4 1 热传导微分方程5 6 6 4 2 初始条件和边界条件5 7 6 4 3 数值分析方法5 8 6 5 ，j 、结6 6 第7 章纳米混凝土箱梁温度应力有限元分析6 7 7 1 引言6 7 7 2 平面箱梁模型温度应力计算“6 7 7 3 空间箱梁模型温度应力计算6 9 7 3 1 空间温度应力分析的基本方程7 0 7 3 2 空间单元体的刚度矩阵和荷载矩阵7 1 7 4 两种模型温度应力的比较7 2 7 5 小结7 4 第8 章结论与展望”7 5 8 1 主要成果“7 5 8 2 建议与展望7 6 致谢7 8 参考文献”7 9 攻读学位期间的研究成果”8 3 v l i ( 一 r q 产，t广， 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 混凝土作为土木工程中最主要的材料，在建筑材料史上已经约一百多年的 历史。由于其具有易于加工成型、耐久性好、成本低廉、适宜机械施工等一系 列优越性能，已成为当今世界上应用最为广泛的工程材料之一。然而工程实践 表明，在特殊的环境下和特殊的结构中对混凝土的工作性能提出了更高的要求， 选择适宜的外掺剂改善混凝土性能是解决这一问题的重要途径。随着纳米科技 的发展以及纳米材料在混凝土等水泥基材料中的应用，在混凝土中掺入性能优 异的n a n o s i 0 2 将成为一种新的尝试。 1 2 课题研究的背景与意义 随着科学技术的进步和人类活动范围的扩大，建造在严酷环境下的混凝土 结构，入跨海大桥、海底隧道、海上采油平台等的数量不断增加。该类混凝土 结构的施工难度大、物理力学性能要求高、要求服务年限多在百年以上，一旦 出现问题，后果非常严型。目前，很多发达国家正面临着很多钢筋混凝土结 构老化破坏的问题，需要投入大量的资金进行维修加固甚至更换【2 j 。据估计， 在工业发达的国家，建筑工业总投资的4 0 以上用于结构的修理和维护，不到 6 0 的投资用于新建筑【3 1 。美国重视混凝土是源于1 9 8 7 年的一份国家材料顾问 委员会提交的报告。报告中明确指出，美国2 3 万座桥梁在设计年限内发生不同 程度的破坏，有些使用还不到2 0 年，每年又有3 5 万座桥梁加入到破坏的行列， 修复或更换这些桥梁破坏部分的费用将是非常打的一笔开支i z j 。 我国混凝土使用方面现状也不容乐观，有些问题与国外相比有过之而无不 及。特别是在一些特殊建筑中，如化工、冶金、大坝、桥梁等，为了维持其工 作能力所花费的维修、加固费早已超过建筑物的造价【4 】；一些特殊的环境下， 如太阳辐射下混凝土、水工混凝土等对其性能要求更高。 上世纪6 0 年代以来，国内外都发现由于温度应力而导致混凝土桥梁结构发 ， 一 ：_ j 第1 章绪论 生严重裂损的事故。譬如，在国外，新西兰一座新市场高架桥的预应力混凝土 箱梁，因日照产生的温度应力导致该桥发生严重裂损，不得不耗资3 0 0 ，0 0 0 美 元进行修复；在国内，湖北光化大桥箱梁顶板底面有明显的纵向裂缝( 1 9 8 4 年 调查发现) ，其顶板的温度拉应力高达2 7 m p a ；通惠河连续箱梁、九江长江大 桥引桥4 0 m 箱梁、漓江二桥箱梁等也都发生了裂损。这些严重裂损事故的出现 说明了温度应力对桥梁的耐久性有着显著的影响【5 1 。 纳米混凝土是用足够数量的矿物细掺料掺入到混凝土中的一种新型高技术 混凝土，其具有良好的物理力学性能和工作性能。通过研究表明纳米混凝土比 普通混凝土有更高的抗压强度、抗折强度、弹性模量也有提高等，因此纳米混 凝土对一些重要的结构构件、关键部位构件有着重要的作用。 本文选用n a n o s i 0 2 作为细掺料对混凝土进行改性，主要研究其抗压强度、 抗折强度、弹性模量等，并在箱梁结构中进行应用模拟，分析其温度场及温度 应力。该研究对于改善混凝土质量及纳米混凝土的推广应用具有重要意义。 1 3 国内外研究现状 自2 0 世纪7 0 年代日本学者提出超细粒子概念以来，众多科学家对于超细 粒子的性质、制备方法及其应用进行了广泛的探讨。1 9 9 0 年7 月在美国召开了 国际上第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一 个新的分支公布于世，从此，纳米材料引起了世界各国材料界和物理界的极大 兴趣和广泛重视【6 j 。目前，关于混凝土的高效活性矿物掺料已有较多的研究成 果，并已经应用于工程实际中。 1 3 1 国外研究现状 纳米混凝土方面，s u 等( 1 9 8 5 ) 通过试验发现，掺入普通硅酸盐水泥中 的硅粉在水化9 0 d 时才被消耗掉7 5 1 7 1 ；m i t c h e l l 等( 1 9 9 8 ) 将硅粉放入饱和的 c a ( o h ) 2 溶液中，直到1 2 0 d 才有明显的水滑硅酸钙凝胶出来【8 】；g l i 研究了粉 煤灰与纳米s i 0 2 复合对混凝土性能的影响，并通过试验说明纳米s i 0 2 能过激发 粉煤灰的活性【9 1 。从他们的结论中可以知道，掺入颗粒更细，比表面积更大， 活性更高的纳米级颗粒材料将成为一种新的尝试。 箱梁温度场和温度应力方面，美国的z u k 研究了如何由气象资料估计桥梁 2 f e ， 。- 第1 章绪论 的温度分布，指出气温、风、太阳辐射和材料种类都会影响桥梁的温度分布， 并导出了结合梁项、底面之间的最大温差近似方程。继而又在实桥观测的基础 上，用线性温度分布分析了组合梁的温度应力【1 0 l 。e m a n u e l 和h u s e l y 用有限元 方法来求热流微分方程的近似解，通过把截面分为常热流的单元，节点温度则 看成随时间变化的变量。该分析方法能够较好地求出各种不同截面内的温度分 布【1 1 l 。m i r a m b e l l 用有限差分法和有限元法分别计算了桥梁的温度分布，计算结 果和实测数据进行了对比【1 2 】。s a e t t a 等用三角形和四边形单元来分析了二维热 流问题，把从混凝土水坝和混凝土箱形桥中得出的结果进行了对吲1 3 j 。 m i r a m b e l l 和c o s t a 分别采用英国规范和欧洲规范中对箱形桥温差分布的规定， 以及从二维单元分析得出的温差分布，进行了温度应力的计算比较，最后得出 英国规范能够较好的与实际相吻合【1 4 1 。从他们的结论可以看出，他们都是对混 凝土箱梁温度场和温度应力进行了研究。 1 3 2 国内研究现状 纳米砼方面，叶青认为人工合成的纳米级s i 0 2 的粒径非常小，其火山灰活 性均比硅灰、粉煤灰的要高很岁2 9 1 。在水泥浆体中，c a ( o h ) 2 会更好地在纳米 s i 0 2 表面形成键合，并生成c s h 凝胶，起到了降低c a ( o h ) 2 含量和细化 c a ( o h ) 2 晶体尺寸的作用，同时c s h 凝胶已纳米s i 0 2 为核心形成簇状结构， 纳米s i 0 2 起到c s h 凝胶网络结点的作用【2 9 1 。叶青，陈荣升等( 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ) 研究发现，纳米s i 0 2 的活性远大于硅粉，在水泥浆中掺加活性更高的纳米s i 0 2 ， 水泥水化后生成大量的硅酸钙凝胶，可以提高混凝土的强度【删。王冲等( 2 0 0 3 ) 研究了纳米s i 0 2 应用于水泥基材料的可行性和应用技术，研究认为，纳米s i o z 可以在水泥基材料改性中发挥作用，同时，利用纳米s i 0 2 配制了强度达1 5 0 2 0 0 m p a 的超高强混凝土【3 1 j 。季韬等( 2 0 0 3 ) 通过试验表明掺加o 5 纳米s i 0 2 可提高粉煤灰混凝土7 d 抗压强度9 9 6 ，抗折强度1 4 ；提高2 8 d 抗压强度4 ， 抗折强度8 t 3 2 1 。王立峰( 2 0 0 3 ) 通过试验研究发现，水泥土中加入纳米s i 0 2 能够显著改善水泥土的强度特性【3 3 j 。 纳米s i 0 2 的上述作用在理论上可以提高混凝土的强度、密实度、抗渗性等 性能。目前对于混凝土掺入纳米s i 0 2 的研究比较少，仅限于在界面改性、宏观 物理力学等层面上【3 5 。3 刚。纳米s i 0 2 与c a ( o h ) 2 反应形成水化硅酸钙的速度远大 于硅灰与c a ( o h ) 2 反应形成水化硅酸钙的速度【3 5 】；由纳米s i 0 2 与c a ( o h ) 2 制成 3 n矿l 了 第1 章绪论 的浆体抗压强度发展速度远大于由硅灰与c a ( o h ) 2 制成的浆体抗压强度发展速 度【2 9 】。 箱梁温度场和温度应力方面，铁道部大桥工程局率先对实体墩的温度分布 做了调查研究，铁道部第四勘测设计院对薄壁空心墩的日照温度应力问题进行 了初步研究。6 0 年代中期，铁道部科学研究院西南所对预应力拼装式箱形桥墩 进行了现场观测和模型试验，首次测定了混凝土结构的温度分布。1 9 7 8 年南京 桥梁会议后，随着大跨度混凝土箱形桥梁的兴建，如红水河铁路斜拉桥、九江 长江大桥4 0 m 箱形简支梁等，温度应力的试验研究工作由桥墩结构转向上部结 构。同年，铁道部科学研究院西南研究所成立了混凝土桥梁温度应力研究组， 开始了系统的试验研究工作。先后在红水河铁路斜拉桥、九江长江大桥4 0 m 箱 形简支梁上做了温度分布和温差应力的试验研究，此后还在哈尔滨松花江大桥 上进行了温度场测试研究，总结了混凝土桥梁结构在寒冷地区的温度分布规律。 刘兴法在大量的试验研究和理论分析基础上，建立了预应力混凝土箱梁的控制 温度荷载及相应的温度应力计算方法。他将箱梁的温度场简化为二维温度场， 按竖向和横向的一维温度场计算再进行简单的叠加来计算温度应力【4 2 1 。 结合国内外研究现状，大多数研究者都是在胶砂试验中利用纳米s i 0 2 作为 外掺料进行研究，利用纳米s i 0 2 作为混凝土外掺料的研究很少。因此，研究纳 米混凝土具有重要的意义。同样，纳米混凝土在工程中的应用也很少，对纳米 混凝土箱梁温度场及温度应力进行研究也未见报道。本文将对纳米混凝土主要 力学性能抗压强度、抗折强度和弹性模量进行研究，并且对箱梁温度场及温度 应力进行模拟研究。 1 4 课题的来源及主要研究内容和方法 1 4 1 课题来源 本课题主要来源于扶名福教授所带博士后的研究项目，纳米混凝土的基本 特性研究为其中的一部分。 1 4 2 主要研究内容 本文主要研究内容有： 4 1 i 一 i 了 ) 产 第1 章绪论 ( 1 ) 制作纳米混凝土试块，通过试验分析研究纳米混凝土抗压强度、抗折 强度、弹性模量以及热物理等主要物理力学特性； ( 2 ) 纳米混凝土箱梁结构的温度场数值模拟分析方法： ( 3 ) 采用二维平面和三维空间模型模拟计算分析纳米混凝土箱梁的温度应 力，并进行比较。 1 4 3 主要研究方法 ( 1 ) 选用合适的配合比制作纳米混凝土试块，利用实验室设备测出所需数 据，得出纳米混凝土在该配合比下的抗压强度、抗折强度、弹性模量、传热系 数等。 ( 2 ) 从太阳辐射出发，分析纳米混凝土箱梁与外界的三种热交换形式；介 绍桥梁边界条件的计算和处理。 ( 3 ) 利用数值模拟方法进行箱梁温度场分析。 ( 4 ) 平面桥梁模型温度应力的计算应用热弹性力学理论，空间桥梁模型温 度应力的计算应用a n s y s 来完成，比较两种模型温度应力。并与普通混凝土 箱梁结构进行比较。 ( 5 ) 利用m a i z a b 进行试验数据分析，得出回归曲线。 1 5 小结 ( 1 ) 介绍了国内外对纳米混凝土有关问题的研究。 ( 2 ) 对混凝土桥温度场温度应力国内外研究进行了介绍。 ( 3 ) 确定了本文研究的内容和方法。 5 第2 章纳米混凝土试验设计及标准 2 1 引言 第2 章纳米混凝土试验设计及标准 混凝土中原材料的改变将会对试验结果造成很大的影响，降低试验的可比 性。由于纳米混凝土的要求和配制的特点，原材料对一般混凝土影响不明显的 因素，对纳米混凝土可能影响会非常大。本课题研究的纳米混凝土指标比较多， 涉及到的试验也很多，本文涉及到的只是其中一部分，所以本章将各种原材料 以及所进行试验的仪器设备、标准一并列出。本章对纳米混凝土配合比进行了 详细的设计。 2 2 原材料 2 2 1 水泥 采用南昌海螺牌水泥有限责任公司生产的p o 4 2 5 普通硅酸盐水泥。主要 化学成分、矿物组成及物理性能分别见表2 1 、2 2 和2 3 。 表2 1 普通硅酸盐水泥的化学成分 l组成 s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 c a o m g os 0 3n a 2 0 + k 2 0烧失量 不容残留物 e o 4 2 52 1 5 64 5 83 1 46 2 7 5 1 5 32 1 41 2 52 6 5o 7 表2 2 普通硅酸盐水泥的矿物组成 矿物 c 3 sc 2 sc ac 4 a f c a s 0 4 2 h 2 0 l p o 4 2 54 8 4 02 6 7 16 3 09 5 5 4 4 3 表2 3 普通硅酸盐水泥的矿物组成 抗压强度抗折强度凝结时间 细度比表面积标准稠度 安定性密度 3 d2 8 d3 d 2 8 d 初凝终凝 ( m 3 k g ) ( g c m 3 ) m p am p a ( h ：m i n ) 0 33 5 02 6 4 合格3 1 23 3 15 7 26 5 69 32 ：2 53 ：2 5 6 、 、 ， 第2 章纳米混凝土试验设计及标准 2 2 2 纳米s i 0 2 采用德国瓦克公司生产的气相法二氧化硅( w a c k e rh d k ) ，y , n q 气相 法白碳黑。气相法二氧化硅分为亲水型( 未经表面处理) 和疏水型( 表面处理) 两种，该实验采用亲水型，其主要物理和化学性能指标见表2 4 。 表2 4 纳米s i 0 2 的物理和化学性能指标 名称 指标 名称指标 w a c k e rh d k t 4 0外观 松散的白色粉末 s i 0 2 含量，w 9 9 9 6 颜色透明 平均粒径n m 7 - 4 0 s i 0 2 的晶体结构 无定型 比表面积( b e t 法) m 2 g 4 0 0 _ + 4 0 1 , 0 0 0 c 2 小时的烧失量 2 0 p h 值3 8 4 3 s i 0 2 的密度( 主要结构) g l 2 2 0 0 松密度酣 c a 4 0 折射率 1 4 6 1 0 5 下2 小时干燥损失w t 1 0 1 3 筛余物w t 0 0 4 2 2 3 化学外加剂 化学外加剂主要是指无需取代水泥而外掺小于胶凝材料质量5 的化合物。 化学外加剂以有机物为主，也有无机物。为了解决纳米混凝土的水胶比降低与 良好工作性之间的矛盾，促进纳米混凝土的工程应用，用于该试验的化学j b 力n 剂是减水剂，该减水剂为聚羧酸盐高效减水剂，其减水率为2 0 3 5 ，一般选 用量为胶凝材料的o 8 1 2 5 ，其品种有含固量为2 0 的液体、4 0 的液体、 4 0 的粉体三种，该试验选用含固量为2 0 的液体，选用量为胶凝材料的1 。 2 2 4 粗细骨料及拌合用水 ( 1 ) 细集料：河砂，细度模数2 8 2 ( 由筛分析试验得到) ，系i i 区中砂；含水 率1 ，表观密度为2 6 2 9 c m 3 ，松堆密度为1 5 2 0 k g m 3 , 振实密度为1 6 7 0 k g m 3 。 使用前将其用自来水冲洗并烘干，其含泥量与含水率可以忽略。筛分析试验见 表2 5 ，级配曲线如图2 1 。 7 第2 章纳米混凝土试验设计及标准 表2 5 细集料筛分析试验 筛孔孔径筛余质量分计筛余累计筛余通过百分率 ( m m )m t ( 曲百分率a t ( )百分率a ；( ) p t ( ) 4 7 52 3 39 59 59 0 5 2 3 63 2 01 3 12 2 67 7 4 1 1 82 9 51 2 03 4 66 5 4 o 6 0 5 8 22 3 8 5 8 44 1 6 0 3 07 6 03 1 08 9 41 0 6 0 1 52 4 71 0 19 9 50 5 0 0 7 5 9o 4 9 9 8o 2 筛底 40 21 0 0 00 o 总计 2 4 5 0 粒径d ( m m ) ( a ) 常坐标 粒径l g d ( m m ) ( b ) 半对数坐标 图2 1 级配曲线 细度模数是用来评价细集料的粗细程度。当细集料中含有大于5 m m 颗粒时， 细集料的细度模数按下式进行计算： 驴继些喘鸶半 ( 2 1 ) 式中：7 5 ，a 2 3 6 ，知0 7 5 分别为4 7 5 ，2 3 6 ，o 0 7 5 m m 各号筛的累 计筛余百分率( ) 。经计算得，一2 8 2 。 ( 2 ) 粗集料：碎石，公称粒径为5 3 0 r a m ，细度模数为6 9 ，表观密度为2 8 5 9 e r a 3 ， 松堆密度为1 4 6 0 k g m 3 ，振实密度为1 5 8 0 k g m 3 ，压碎值为3 4 5 。 ( 3 ) 拌合用水采用南昌市供应的自来水。 8 广 第2 章纳米混凝土试验设计及标准 2 3 试验设计 本文主要考察掺纳米s i 0 2 ( n s ) 混凝土的力学性能，混凝土设计强度等级为 c 4 0 ，其配合比设计如下： ( 1 ) 纳米混凝土配置强度厶o 应按下式计算： 厶。o 厶j + 1 6 4 5 0 ( 2 2 ) 式中：厶j 混凝土设计强度等级( m p a ) ； 仃混凝土强度标准差( m p a ) ，混凝土强度等级低于c 2 0 时， 取3 0 ；c 2 0 一 c 3 5 时，取5 0 ；高于c 3 5 时，取6 o 。 允。纳米混凝土配置强度( m p a ) ，由式( 2 2 ) 计算得c 4 0 纳米混 凝土配置强度为4 9 8 7 m p a 。 ( 2 ) 纳米混凝土水灰比( ) 的确定应按下式计算： 堡。 q ：塑盘 c 厶，o + o 4 8 x 0 5 2 l , 式中：允水泥的实际抗压强度( m p a ) 。 罢纳米混凝土水灰比。由式( 2 3 ) 计算得c 4 0 纳米混凝土水灰比 l 为0 3 3 7 。 ( 3 ) 纳米混凝土初步配合比设计计算按下式进行计算： f m + 所p + 肌+ m 啪；m 印 反。l 1 0 0 ( 2 4 ) 【 历+ m 妒 式中：m 每m 3 混凝土的水泥用量( k 咖3 ) ； m 妒每m 3 混凝土的骨料用量( k g m 3 ) ； 朋。每m 3 混凝土的细骨料用量( k 咖3 ) ； 肌。每m 3 混凝土的用水量( k 咖3 ) ； 所。每m 3 混凝土拌合物的假定质量，其值可取 2 4 0 0 2 4 5 0 k g m 3 ； 成砂率( ) 。 ( 4 ) 掺j b 力n 剂时，纳米混凝土单位用水量可按下式计算： 朋。- m 。( 1 一几)( 2 5 ) 9 第2 章纳米混凝土试验设计及标准 式中：m 。掺外加剂每m 3 混凝土的用水量( k 曲； m 。未掺外加剂每m 3 混凝土的用水量( k 曲； 卢0 外加剂的减水率( ) 。 本试验初步取历印一2 4 5 0 k g m 3 ，由表2 6 和式( 2 5 ) 初步确定m 啪- 1 8 0 七g ， 由表2 7 选取屈= 3 0 ，再结合由( 2 3 ) 式计算出来的水灰比，代入式( 2 4 ) 得初 步配合比为： 肌。：肌。：m 肛：m w a ；5 3 4 ：5 2 0 8 ：1 2 1 5 2 ：1 8 0 ( 2 6 ) 式中：m 。每m 3 纳米混凝土的水泥用量( k 咖3 ) ； m 翩每m 3 纳米混凝土的骨料用量( k 咖3 ) ； 肌。每m 3 卸；j 米混凝土的细骨料用量( k g m 3 ) ； m 。每m 3 纳米混凝土的用水量( k 咖3 ) ； 为了适应试验，考虑到纳米混凝土采用搅拌机进行搅拌，使纳米混凝土保 持一定的坍落度，具有更好的流动性能。试验时，每m 3 混凝土拌合物的质量取 2 4 0 0 k g m 3 ，水灰比取0 3 6 ，纳米混凝土配合比调整为 胁。：肌。：朋静：朋。一5 0 0 ：5 2 0 ：1 2 0 0 ：1 8 0 。混凝土单位用水量选用表见表2 6 ；混 凝土砂率选用表见表2 7 ；配合比见表2 8 。 表2 6 混凝土单位用水量选用表 甜g j 5 5 9 6 ) 拌合物稠度 卵石最大粒径( m m )碎石最大粒径( m m ) 项目范围1 02 0 4 0 1 52 04 0 1 5 2 01 7 51 6 0 1 4 5 1 8 01 7 01 5 5 维勃稠度( s ) 1 0 - 1 51 8 01 6 51 5 01 8 51 7 51 6 0 5 1 01 8 51 7 01 5 51 9 01 8 01 6 5 1 0 3 01 9 01 7 01 5 02 0 01 8 51 6 5 3 0 5 0 2 0 01 8 01 6 02 1 01 9 51 7 5 坍落度( m m ) 5 0 7 02 1 0 1 9 01 7 02 2 02 0 51 8 5 7 0 9 02 1 51 9 51 7 52 3 02 1 51 9 5 表2 7 混凝土砂率选用表( ) ( j g j 5 5 - 9 6 ) 水灰比卵石最大粒径 m m ) 碎石最大粒径( r a m ) ( w c ) 1 02 04 01 52 04 0 0 4 02 6 3 22 5 3 1 2 4 3 0 3 0 3 52 9 3 4 2 7 3 2 o 5 03 0 3 5 2 9 3 4 2 8 3 3 3 3 3 83 2 3 73 0 3 5 0 6 0 3 3 3 83 2 3 73 1 3 63 6 4 13 5 4 0 3 3 3 8 0 7 03 6 - - 4 13 5 4 0 3 4 3 9 3 9 4 4 3 8 4 3 3 6 4 1 1 0 第2 章纳米混凝土试验设计及标准 表2 8 纳米混凝土配合比 掺n s 量w cn ssg 砂率展 高效减水剂 编号 w b a 。( )k g m 3 n s 1o 3 60 0 1 7 55 0 0 0 0 0 5 2 0 1 2 0 03 0 21 0 n s 2 0 3 6 0 51 7 54 9 7 52 55 2 01 2 0 0 3 0 21 0 n s 一30 3 61 01 7 54 9 5 05 o5 2 01 2 0 03 0 21 0 n s 4o 3 61 51 7 54 9 2 57 5 5 2 0 1 2 0 03 0 21 0 n s - 50 3 62 01 7 54 9 0 01 0 o5 2 0 1 2 0 03 0 21 0 n s 60 3 62 51 7 54 8 7 51 2 55 2 01 2 0 03 0 21 0 n s 70 3 63 o1 7 54 8 5 01 5 o5 2 01 2 0 03 0 21 0 注：w 仍一水胶比，w 一拌和水，实际配合比用水量减去减水剂的掺入量，c - 水泥，n s 一纳米s i 0 2 ，其 掺量为胶凝材料的百分比，s 砂，石，聚羧酸盐高效减水剂为胶凝材料的1 。 2 4 试件制备、试验仪器设备与参考标准 2 4 1 纳米混凝土试件制备 试验中使用的骨料含碎石粉末比较多，使用前均经过了水冲洗、烘干( 或 晒干) 处理，其含泥量、含水量均可以忽略。在配制纳米混凝土过程中，先将 聚羧酸盐高效减水剂与部分水搅拌均匀，配合成高效减水剂与水的混合体。试 验使用纳米s i 0 2 为t 4 0 亲水型，易容于水，但由于其表观密度很大，纳米s i 0 2 直接加入水中时会团聚，所以纳米s i 0 2 应倒入成高效减水剂与水的混合体中进 行搅拌均匀。由于聚羧酸盐高效减水剂的分散作用，纳米s i 0 2 基本上可溶于高 效减水剂与水的混合体中。 在强制式搅拌机中拌合过程中，先将搅拌机用湿抹布润湿内壁，然后将称 量准确的粗细骨料一起倒入搅拌机中，搅拌l m i n 后将事先称量好的胶凝材料 ( 水泥) 倒入搅拌机中，再搅拌l m i n ：倒入部分水搅拌3 0 s ，随后将溶有纳米 s i 0 2 的高效减水剂与水的混合体倒入搅拌机，搅拌2 r a i n 后，将预留部分用水洗 涤容器( 确保纳米s i 0 2 和高效减水剂全部加入混凝土中) 然后倒入搅拌机中， 搅拌9 0 s 后停止，对于所有配合比的纳米混凝土搅拌过程统一为6 r a i n 。将拌合 物倒出，并用表面湿润的铁锹反复拌合数次后装模，利用混凝土振动台统一振 动3 0 s 使纳米混凝土密实；养护1 d 后脱模，按照试验要求确定养护岭期，放入 养护箱( 养护温度2 0 2 ，相对湿度9 5 以上) 进行养护。 第2 章纳米混凝土试验设计及标准 测试纳米混凝土抗压强度的试件尺寸采用1 0 0 m m x1 0 0 m m x1 0 0 m m ；纳米 混凝土抗折强度试验的试件尺寸采用1 0 0 m m 1 0 0 m m 5 1 5 m m ；纳米混凝土弹 性模量试验的试件尺寸采用1 0 0 m m x1 0 0 r a m 3 0 0 m m 。 2 4 2 试验仪器设备与参考标准规范 ( 1 ) 在试验过程中使用的主要仪器设备如下： h j w - 6 03 0 型混凝土搅拌，混凝土振动台，液压式压力试验机，c b t 系列 微机控制电子抗折试验机( 新三思有限公司) ，y a w 4 0 0 0 全自动压力试验机( 新三 思有限公司) ，混凝土试块成型模具，应变仪，应变片等。 ( 2 ) 在纳米混凝土性能检测中采用的标准有： g b j 8 1 1 9 8 5 普通混凝土力学性能试验方法； g b t 8 0 7 7 2 0 0 0 混凝土外加剂均质性检验方法； g b 8 0 7 6 1 9 9 7 混凝土外加剂等。 2 5 小结 ( 1 ) 介绍了配制纳米混凝土的各种原材料并对砂进行一定的试验分析。 ( 2 ) 对纳米混凝土