纳米玻化微珠保温承重混凝土微观解析.pdf

2 0 1 4 年 第 5 期 (总 第 2 9 5 期 ) N u mb e r 5 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RET I CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 5 0 1 3 纳米玻化微珠保温承重混凝土微观解析 孙亮 。李珠 ，武潮 ，王文婧 ( 太原理工大学 建筑与土木工程学院 土木系，山西 太原 0 3 0 0 2 4 ) 摘要： 混凝土的宏观力学性能取决于其 内部微观结构 ， 首先对 四种不同纳米二氧化硅掺量的纳米玻化微珠保温承重混凝土宏 观力学性能进行了测定 ， 试验结果表明： 纳米二氧化硅掺量为 l 的纳米玻化微珠保温承重混凝土的强度最高 ， 然后通过扫描电 子显微镜对不 同纳米二氧化硅掺量下的纳米玻化微珠保温承重混凝土进行微观形貌的观察， 来解释其宏观力学性能； 同时为了 使试验完善 ， 对玻化微珠的微观结构也进行观察， 得出玻化微珠是种独特的空腔结构。 关键词 ： 纳米玻化微珠保温承重混凝土；微观结构；玻化微珠 ；二氧化硅 ；扫描电子显微镜 中图分类号： T U 5 2 8 O 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 4 9 0 3 Re s e a r c h o f m i c r o s t r u c t u r e o f g l a z e d h o l l o w b e a d i n s u l a t i o n b e a r i n g n a n o c on c r e t e S U NL i a n g ， L I Z h u ， wuC h a o ， W A NG We n j i n g ( C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n dC i v i l E n g i n e e r i n g T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Th e ma c r os c o pi c me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c on c r e t e de p e n d o n i t s i n t e r n a l mi c r o s t r u c t u r e I n t h i s p a p e r ， we fir s t l y t e s t t he ma c r os c o pi cme c ha ni c a l p r o pe rti e so f f o u rd i ffe r e n td o s a g eof nano me t e rma t e r i a l s o fg l a z e dh ol l o w be a di ns u l a t i o nb e a r i ngnan o c o n c r e t e， and t h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t ， the s t r e n g t h o f the a d mi x t u r e o f l n ano me t e r s i l i c a c o n c r e i s the h i 曲e s t T h e n w e o b s e r v e d the mi c r o s t r u c t u r e i ma g e t h r o u g h t h e s c a n n i n g e l e c tr o n mi c r o s c o p e a b o u t t h e d i f f e r e n t d o s a g e o f n an o me t e r s i l i c o n d i o x i d e o f g l a z e d h o l l o w b e a d i n s ul a t i o n be a r i n g n an o c o n c r e t e t o e x pl a i n the i r ma c r os c op i c me c h an i c a l pr o p e rti e s At the s a me t i me i n o r d e r t o ma ke the s t u d y p e rf e c t 。 the mi c r o s t r u c t u r eo f g l aze d h o l l o wb e a d i s a l s oo b s e r v e d， i t i s c o n c l u d e dt h a t g l aze dh o l l o wb e a di s ak i n d o f u n i q u e c a v i ty s t r u c t u r e Key w or ds ： g l a z e d h o l l ow be a d i n s u l a t i o n b e a r i n g n a n o c o n c r e t e； mi c r o s t r u c t ur e； g l a z e d h o l l o w b e a d； s i l i c o n d i ox i d e； s c a nn i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e 0 引言 科技 的进步推 动着科学研 究方法 的 向前发展 ， 以前 的人们只了解物质的宏观性能， 但是现代科学研究表明， 微观结构性 能是才是 现代 材料科学 的核 心 ， 材料 的宏观 性能 ， 归根到底是 由其 内部 的微观结 构决定 的。 此外 ， 由 于纳米材料物理 、 化学性能优异 ， 所 以在现代科技的发展 中同样 有着广 阔的应用 空间 ， 其 实早在 2 0世纪 9 0 年代 纳米材 料就 已经应用 到混凝土 中。 玻化微珠保 温承重 混 凝 土是太原理工 大学李珠教授通过 多年的努力 ， 带领 自 己的学生悉心研发 出来的 ， 抗压 强度可 以满 足现实使 用 需求， 而且其中最主要的是导热系数的下降。 先前研究表 明， 当混凝土中掺人纳米材料时 ， 会使混凝土的强度提高。 本文对玻化微珠保温承重混凝土 中掺人纳米 二氧化 硅组 成 的纳米 玻化微珠保 温承重混凝土进行 了初探 ， 设计 了 凝 土 ， 测试其 抗压强度 。 同时利用 扫描 电子显微 镜 ， 对 纳 米玻 化微珠保温承重混凝 土以及玻化微珠进行 了微观 观 察以及分析 。 1 试件制备 1 1 试验原材料 以及 配合 比 本试验采用焦作千业水泥厂生产的袋装 P O 4 2 5 级 水泥 ， 砂石就地取材 ， 物理性能指标如表 1 、 2 ， 玻化微珠取 自 河南信 阳某工厂 ， 本试验所添加的纳米二氧化硅是采用 山西某厂家生产 的亲水型纳米二氧化硅 ( 主要的物理指标 如表 3 ) 。 外加剂采用 高效减水剂 ， 混凝 土拌合水则采用试 验室所用的城市 自来水 。 试验 中 ， 纳米二氧化硅 的含量 为四水 平 ： 0 、 1 、 2 、 3 ； 这四个水平分别 是替代水泥的量 ， 也就是纳米二氧化 硅代替水泥质量的 0 、 1 、 2 、 3 ， 相对应的试验编号分别 四种不 同纳米二氧化硅掺量的纳米玻化微珠保 温承重混 为 A， B， c， D 。 表 1 砂的物理指标 收稿 日期 ：2 0 1 3 1 1 _ 0 6 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2碎石的物理指标 试验 的配合 比见表 4 。 表 4 试验所用配合比 1 2 试件制作 1 2 1 力学性能试件制作过程如下 ( 1 ) 预湿 ， 将玻 化微珠 颗粒进行 静置 预湿 ， 使 其 吸水 饱 和。 ( 2 ) 投料 ， 将玻化微珠 、 水 泥、 砂 、 石子 、 外加剂 、 水投入 搅拌机内。 ( 3 ) 搅拌 ， 搅拌时间为 4 mi n 。 ( 4 ) 成型， 将新拌混凝土放入 1 5 0 m mx l 5 0 m m 1 5 0 r l l l n 模 具中 ， 振动 台振动成型 ； 每组配合 比成型 6块 1 5 0 m n l x 1 5 0 m m 1 5 0 m n l 用作 7 、 2 8 d 立方体抗压 强度试 验 ， 成型 3 块 1 0 0 m m 1 0 0 m m 1 0 0 m r l l 用作微观切片。 ( 5 ) 拆模养护 ， 常温静置 2 4 h 后拆模 ， 放人标准养护箱 内养护到所需龄期( 7 、 2 8 d ) ， 养护条件为 ： 养护箱 的温度控 制在( 2 0 + 2 ) ； 湿度控制在相对湿度为 9 5 。 1 2 2 微观试样制作 试验样品的制备是将制备好的 1 0 0 r n r r 1 0 0 mm x l 0 0 i n T r l 试块大样使用 太原理 工大学 建材试 验室切 割机进 行粗切 以及细切 、 打磨 、 水洗等一 系列的处理得到微观试样 ， 大小 为 2 0mm 2 0mm 5 mn l 。 由于 电子显微镜观察试样是利用 电子束 系统在试样 上发射 电子成像 的原 理 ， 从而得到清晰 的图像 ， 所 以为 了 避免 由于试样带 电性能差导致 图片成像不清晰 ， 对玻化微 珠保温混凝 土微观试样进行镀膜处理 ， 使用 的仪器是由北 京中科科仪技术发展有限公司生产的 S B C 1 2 小型离子溅 射仪。 在镀膜的时候需要注意镀膜 的厚度 ， 太薄会在扫描电 子显微镜下产生 白色 的光环 ， 不利于观察 ； 太厚则会影 响 玻化微珠保温承重混凝土试样 的真实性 。 镀膜完成后的试 样要马上放入扫描 电子显微镜 中进行 观察 ， 否则 ， 表面的 膜会与空气 中的氧气反应 ， 形成一种氧化膜 ， 不利于观察。 2立方体抗压强度试验 采用 1 5 0 m m 1 5 0 m mx 1 5 0 ra i n的立方体试块 ， 使用无 锡 市某试验室仪 器有 限公 司生产 的 D Y E 2 0 0 0数字压力 试验机 ， 试验过程采用增力加速进行 ， 试验增加力 的加速 5 0 度控制在 6 k N s 。 抗压强度试验的数据以3个试块的算数平均值为此 抗压试验的最终结果 。 从图 1中得到 ， 在 7 d 强度曲线 中， 纳米玻化微珠保温 承重混凝土中当二氧化硅 的含量为 1 时的混凝土的强度 最高 ， 强度达 2 9 2 V I P a ， 同未掺纳米二氧化硅 的玻化微珠 保温承重混凝土相 比， 提高 了将近 1 5 ， 图中还可 得出纳 米二氧化硅掺量为 3 的纳米玻化微珠保温承重混凝土的 强度略高于掺量为 2 的混凝土 。 二 氧 化 硅 含 量 ， 图 1 二氧化硅含量不同时混凝土的抗压强度 在 2 8 d 强度曲线 中得到 ， 纳米二氧化硅的掺量在 1 3 时， 纳米玻化微珠保 温承重混凝土的抗压强度 比未掺二 氧化硅 的玻化微珠保温承重混凝 土的抗压强度 高 ， 同样得 到 当纳米二氧化硅 的掺量为 1 时 ， 纳米玻化微珠保温承 重混凝土 的强度最高( 4 5 2 a ) ， 与未掺纳米二氧化硅 的 混凝土 的强度相 比， 提 高了将 近 2 0 ， 之后随着纳米二氧 化硅掺量的增加 ， 纳米玻化微珠保 温承重混凝土的抗压强 度递减。 3 微 观物相研 究 3 1 试 验 过 程 将制备好 的试样放入扫描 电子显微镜下观察 ， 按照顺 序分别放大 2 0 0 、 5 0 0 、 1 0 0 0 倍来观察玻化微珠 以及不 同纳 米二氧化硅掺量 的纳米玻化微珠保温 承重混凝 土的微观 结构。 图 2 为玻化微珠的微观结构 ， 图 3 - 6 分别是不同纳米 二氧化硅含量 的纳米玻化微珠保 温承重混凝 土的微观结 构 ， 按顺序纳米二氧化硅 的掺量分别为 0 、 1 、 2 、 3 。 3 2 微观结构分析 玻化微珠从宏观上观察得 到的结构 是一个很小 的不 规则球状物 ， 外表面是 由玻化微珠的原材料松脂岩经高温 熔化而形成的表 面玻化的物质 ， 但在扫描电子显微镜下观 察到 ， 它是由很多不规则的团装土推挤在一起 的形状( 图 2 ) ， 且其 内部是空腔结构 ， 从 图中可 以看 出 ， 玻化微 珠空腔结 构大小各异 ， 大 的空腔结 构里面甚至套 有更小的 ， 里面数 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 会增大。 因此要重视加强早期养护 ， 才能发挥出其膨胀抗裂 效应 ， 反之则可能加剧混凝土 的开裂 。 ( 4 ) 在一定范 围同时掺入膨胀剂和减缩剂 ， 其抗裂效 果较单掺人膨胀剂并没有大幅的提升 ， 较单掺入减缩剂 的 混凝土反而有所降低 。 因此在实 际工作中不鼓励通过同时 掺人这两种外加剂来提高混凝土的抗裂性能。 参考文献 ： 1 李林香 混凝土的收缩及防裂措施概述I J 1 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 1 1 3 - 1 1 6 【 2 】马保国 掺高效减水剂水泥砂浆的早期开裂研究 J 】 _建筑材料学 报 ， 2 0 0 8 ， 8 ( 6 ) ： 5 9 3 5 9 8 【 3 HE Z h e n， Z HO U Xi a n g mi n ， L I Z o n g j i n Ne w e x p e r i m e n t a l me t h o d f o r s t u d y i n g e a r l y a g e c r a c k i n g o f c e me n t 2 b a s e d ma t e r i a l s fJ AC I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 2 0 0 4 ， 1 0 1 ( 1 ) ： 5 0 - 5 6 【 4 】郑建岚， 罗素蓉 ， 王雪芳 ， 等 水泥基材料抗裂性能测试诱导开 裂法及其装置 ： 中国， Z L 2 0 0 4 1 0 0 6 1 4 9 2 1 【 P 】 2 0 0 7 2 0 2 2 0 7 【 5 】 谭俊华 高效减水剂对混凝土性能的影D fi t J 山西建筑 ， 2 0 0 9 ， 3 5 上接第 5 1页 量的分 布也不尽相 同。 这说明玻化微珠的玻化过程是随机 的而且是不定型的玻化 ， 从而导致玻化微珠空腔结构的形 态各异 ， 同时说明玻化微珠结构类型的非单一性 。 图中观察到的小部分 的玻化微珠是未完 全封闭的 ， 可 能是 由于在玻化微珠的生产 以及运输过程中发生 的碰撞 、 互相挤 压以及 玻化微珠与水 泥 、 砂 子 、 石子一同放 人搅拌 机中搅拌时 ， 他们之间的互相挤压以及摩擦而导致玻化面 的破碎 。 在微观结构 的分析中 ， 分析微观结构 的固相和过渡区 是微观结构分析 的主要途径 ， 而且在分析 的过程中一定要 注意微观结构过渡区域 的微裂缝和空隙的区域 。 对 于不 同纳米二 氧化硅 掺量 的纳米玻 化微珠 保温承 重混凝 土 ， 当纳米二氧化硅含量为 l 时( 图 4 ) ， 同未掺纳 米二氧化硅的玻化微珠保温承重混凝土相 比， 虽然玻化微 珠 的周 围有空隙 ， 这种分布形态排列无序但数量和规模不 是很大； 可是如果二氧化硅的含量增加到 2 时 ， 从图 5中 可 以清晰的观察到玻化微珠的周 围有空隙和微裂缝 ， 相 比 于二氧化硅含量为 1 的玻化微珠保温承重混凝土 ， 玻化微 珠周围空隙和微裂缝相对而言 比较多 ， 甚至有些裂缝会贯 穿玻化微珠之间 ， 因此表现为宏观上混凝土的抗压强度下 降 ； 同样 当二氧化硅的含量为 3 时( 图 6 ) ， 可 以发现空隙 清晰可见且其数量也 比较多 ， 但是在扫描 电子显微镜下没 有观察到太 多的微裂缝 ， 或者 是微 裂缝不是 太明显 ， 但总 体强度 由于空隙的分布多 ， 会 比掺量为 l 二氧化硅的混凝 土强度低 ； 因此也就解释了当二氧化硅的含量从 1 变化到 3 时 ， 纳米二氧化硅保温承重混凝土的强度最高的是纳米 二氧化硅含量为 1 的情况 。 4结 论 通过对不 同纳米二 氧化硅掺量 的纳米玻 化微珠保温 承重混凝土抗压强度 的测定 以及它们和玻化微珠 的微观 5 6 ( 1 1 )： 1 7 0 1 7 1 【 6 J6 南培伟 膨胀剂对混凝土变形性能的影响 J J _ 南京航空航天大学 学报， 2 0 0 6 ， 3 8 ( 2 ) ： 2 5 1 2 5 4 7 刘加平 膨胀剂和减缩剂对于高性能混凝土收缩开裂的影响 J l _ 东南大学学报， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 I ) ： 1 9 6 1 9 9 8 】S H A H S P ， K A R A G U L E R M E ， S A R I G A P H U T I M E f f e c t s of s h ri n k a g e- r e d u c i n g a d mi x t u r e o n r e s t r a i ne d s hrin k a g e c r a c k i n g of c o n - c r e t e J A C I M a t e r i al s J o u r n a l ， 1 9 9 2 ， 8 9 ( 3 ) ： 2 8 9 2 9 5 9 9 钱晓倩 掺合料与减缩剂对混凝土早期收缩的影响【 J 1 沈阳建筑 大学学报， 2 0 0 5 ， 2 1 ( 6 ) ： 6 9 2 6 9 6 【 1 0 李 悦 无外 加剂 混凝土抗裂 影响因素的探 讨 J 昆凝土 ， 2 0 1 4 ( 1 ) ： 1 5 作者简介 ： 联 系地址 ： 联系电话 ： 李悦( 1 9 7 2 一 ) ， 教授， 博士， 主要研究方向： 建筑材料。 北京市朝阳区平乐园 1 0 0 号 北京工业大学建筑工程 学院( 1 0 0 1 2 4 ) 1 8 8 1 0 4 78 9 44 结构 图像的获得和研究 ， 可 以得出如下结论 ： ( 1 ) 在扫描 电子显微镜下观察得到 ， 玻化微珠 是种独 特 的空腔结构 ， 且其结构 的排列是无序的 ， 结构类型是多 种多样 的。 ( 2 ) 在 电子显微镜下 ， 玻化微珠 的周 围微 裂缝和空 隙 的存在 ， 会降低纳米玻化微珠保温承重混凝土 的强度。 ( 3 ) 在纳米玻化微珠保温承重混凝 土中 ， 二氧化硅 的 含量为 1 时， 纳米玻化微珠 保温承重混凝土 的强度最 大 ， 同未掺二氧化硅的玻化微珠保温承重混凝 土相 比， 强度可 以提高将近 1 5 2 0 。 参考文献： 1 】 张泽平玻化微珠保温混凝土及其结构的基本性能试验与理论 分析研究 D J 太原 ： 太原理工大学， 2 0 0 9 2 】李珠 玻化微珠保温材 料的系列研 究与 城市窑洞 ” 式绿色建 筑 J 1 北京邮电大学， 2 0 1 1 ( 1 2 ) 3 】王伟玻化微珠保温承重混凝土的耐久性能试验研究【 D 太原 ： 太原理工大学 ， 2 0 1 2 4 王景贤 ， 王久立 纳米材料在混凝土中的应用研究进展 J 1 混凝 土 ， 2 0 0 4 ( 1 1 ) ： 1 8 2 1 【 5 】ME HT A P K， P A UL 0 J M Mo n t e i r o c o n e l e t e mi c r o s t mc t u r e ， p r o p e r t i e s ， a n d mme fi M M Ne w Yo r k ： Me g r a w Hi l l ， 1 9 8 6 【 6 J6 杨静， 邢峰 矿物细掺料对新拌水泥基材料工作性的影响 J 】 _ 混 凝土 ， 2 0 0 1 ， 44( 2 ) 【 7 王亚杰 玻化微珠保温混凝土试验及建筑抗震、 能耗分析【 D 】 太 原 ： 太原理工大学， 2 0 0 8 【 8 】 罗胜 玻化微珠保温混凝土晋城凤凰城 1 9 #楼项目配合比试验 及耐久性的研究【 D 】 太原： 太原理工大学， 2 0 1 2 9 张立德 纳米材料【 M】 北京： 化学工业出版社， 2 0 0 0 作者简介： 孙亮( 1 9 8 9 一 ) ， 男， 硕士研究生， 从事混凝土结构方向。 联系地址 ： 山西省太原市迎泽西大街 7 9 号( 0 3 0 0 2 4 ) 联系电话 ： 1 8 3 3 4 7 0 8 3 9 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m