纳米材料水泥混凝土在房屋结构中运用

摘要：为了研究本纳米复合材料水泥混凝土的材料配比及其在房屋基础结构中是否可以应用，选择了纳米SiO2和纳米Fe2O3为原材料，研究了两种纳米材料在水泥混凝土中的合理掺量，提出纳米复合材料水泥混凝土材料的推荐用量，并将研究成果在潍坊某高层建筑的基础工程中进行了使用。本文主要的研究结论如下：不同龄期纳米复合材料水泥混凝土的强度不同，且达到了早强型混凝土的要求；当纳米SiO2掺量为水泥质量的1.5%和纳米Fe2O3掺量为水泥质量的1.2%时，纳米复合材料水泥混凝土拥有最大的抗压强度；纳米Fe2O3对纳米复合材料水泥混凝土的抗折强度的提升是有着主导作用的；纳米复合材料水泥混凝土在房屋基础工程使用效果良好，具有较大的推广应用价值。

关键词：纳米复合材料；纳米Fe2O3；纳米SiO2；房屋基础结构

0引言

近年来，纳米材料在各个行业中均得到了广泛的应用，一般认为，当材料的粒径在100nm以内时，便可以称之为纳米材料。纳米材料拥有更小的比表面积，其相应的化学反应速度更快，反应也更加剧烈[1-3]。另一方面，水泥混凝土由于水泥熟料在水化过程中，产生了大量的微小孔隙，甚至是微小裂纹，而这些现象对后期混凝土材料的破坏起到了加速作用。工程中一般采用外加剂的方式来提高水泥混凝土的各项性能，虽然取得了一定的效果，但在高性能混凝土的设计过程中仍然存在着较大的障碍。随着纳米材料的兴起，为高性能水泥混泥土在材料的选择中提供了新的思路，已经有许多学者开始将纳米材料在水泥混凝土中应用并取得了一定的成果[4-8]。纳米材料借助其较小的粒径与分散性，能够均匀的分散在水泥混凝土中，同时部分纳米材料具有一定的活性，可以进行水化，水化产物具有一定的强度，也有部分纳米材料能够与水泥水化产物反应，进一步的生成强度更高、密实性更好得到水化物。无疑，部分纳米材料的添加是的水泥混凝土的性能得到了进一步得到提升，也为水泥混凝土的相关研究工作打开了一条新的途径。水泥混凝土中最常见的纳米材料外加剂是纳米SiO2，相关研究表明，纳米SiO2的掺入可以有效地提高水泥混凝土的早期强度，其水化速度快，水化产物粒径小，能够很好的填充水泥混凝土的微小孔隙，对高性能混凝土性能的提高具有显著的提升作用。另外纳米Fe2O3的使用现在也十分常见，研究表明，当纳米Fe2O3掺入水泥混凝土后，其水化产物拥有很好抗折、抗磨及变形性能，从而可以有效的提高水泥混凝土的抗折强度以及耐磨性能[9]。所以外纳米Fe2O3和纳米SiO2在相关工程中已经被分别使用了，并且取得了工程技术人员的一致肯定，工程应用效果良好。在房屋基础结构中，往往受到地下水分的侵蚀，加上自身的受力特点，要求基础结构所使用的混凝土需要拥有较好密实性、抗压强度及抗折强度。总之对混凝土的要求较高，普通混凝土很难满足其相关要求，特别是一些高层建筑或重大工程，因此需要发明一种具有良好密实程度、且抗压强度、抗折强度及变形性能良好的混凝土。在这种情况下，单一的纳米材料混凝土目前很难达到上述要求，于是科研技术人员便着手开展复合纳米材料对水泥混凝土性能的研究工作，试图通过纳米材料之间的互补性提升水泥混凝土的技术性能。但是受限于研究起步晚、学科交叉影响较大，我国在该领域的研究始终未能有较大的建树。同时，相关工程的应用更是鲜有报道，很多施工单位以研究成果不成熟，实体工程应用效果不清晰拒绝在其工程当中使用复合纳米材料水泥混凝土，由此可见，纳米复合材料水泥混凝土的研究、设计与应用已经得迫在眉睫[10]。基于上述分析，本文选择了纳米SiO2和纳米Fe2O3为原材料，开展两种材料对水泥混凝土的复合改性研究，研究两种纳米材料在水泥混凝土中的合理掺量，提出纳米复合材料水泥混凝土材料设计方法，并进行技术性能的测试。最终在研究成果的基础上，在潍坊某高层建筑的基础工程中进行了使用，检测并观察了其效果。

1纳米复合材料水泥混凝土材料配合比设计

本文选择纳米SiO2和纳米Fe2O3为原材料，并根据前人的研究成果，试验过程中，为了对纳米SiO2和纳米Fe2O3的影响进行研究，同时考虑试验工作量过大对研究造成的干扰，文章在试验设计阶段采取了正交试验的方法，该方法可以对多因素多水平下，利用正交点设计出能够体现差异性的试验设计，试验结果能够有效的描述各影响因素的作用的效果，同时还可以找出特征点，大大的减小了试验的总工作量。基于此，文章设计了正交试验。提出了以下工况进行了水泥混凝土的配合比设计，共设计了6种工况，涵盖了多种不同的掺量。如表1所示。表1中所用的水泥为硅酸盐水泥，52.5级，砂为中砂，石为碎石。用水量按照坍落度65mm控制，进行了必要的调整。对上述各个工况的纳米复合材料水泥混凝土进行3d、7d、28d的抗压强度试验、抗折强度试验，并根据试验结果确定最佳组分。

2纳米复合材料水泥混凝土技术性能

根据上文所提到的设计方案开展了水泥混泥土不同龄期的抗压强度以及抗折强度试验，试验结果具有显著的规律性，这也充分表现出了正交试验在多因素、多水平的复杂试验中的优越性及有效性。根据试验设计，对上述6种工况的纳米复合材料水泥混凝土进行3d、7d、28d的抗压强度试验，试验结果汇总于图1中。图1显示，不同龄期纳米复合材料水泥混凝土的强度不同，但无论哪种工况，其3d的抗压强度均接近或超过28d抗压强度的一半，均达到了早强型混凝土的基本要求，此外，各工况的纳米复合材料水泥混凝土的抗压强度有着较大不同，这说明存在一种合理的组合使得纳米复合材料水泥混凝土的抗压强度达到最大值。这一结果在3d和7d的抗压强度始终不变。不难看出，在工况4处，纳米复合材料水泥混凝土的抗压强度达到最大值，说明工况4所代表的材料组合拥有最佳的抗压强度，即当纳米SiO2掺量为水泥质量的1.5%和纳米Fe2O3掺量为水泥质量的1.2%时，纳米复合材料水泥混凝土拥有最大的抗压强度。出现上述现象的原因归结到纳米材料自身的性能上，纳米SiO2的掺入对水泥熟料水化过程中的速度是有一定的助推作用的，能够强化其水化产物的质量，并借助其自身比表面积大的优势，所形成的水化产物拥有较小的尺寸，能够有效的填充水泥混凝土的中微小孔隙，从而提高水泥混凝土的密实程度。而纳米Fe2O3的掺入的改善原理与，纳米SiO2相仿，此外，其水化产物强度也是十分高的，这对于提高其混凝土的强度是非常有帮助的。根据上文所提到的设计方案，对上述6种工况的纳米复合材料水泥混凝土进行3d、7d、28d的抗折强度试验，试验结果汇总于图2中。从图2可以看出，各工况的抗折强度差异性是相对的，工况1-4的同龄期的（3d、7d以及28d）抗折强度基本相仿，而工况5-7则明显出现了下降。对比各组分的比例，可以得到以下结论：纳米Fe2O3对纳米复合材料水泥混凝土的抗折强度的提升是有着主导作用的，而纳米SiO2相较于纳米Fe2O3而言则显得小的多。对比工况1-4，还可以发现，当纳米复合材料水泥混凝土中纳米Fe2O3的掺量达到水泥质量的1.2%时，其对混凝土强度的提升作用便达到了顶峰，即便是工况1中纳米Fe2O3的掺量是工况4的2.5倍，但也并未在纳米复合材料水泥混凝土的抗折强度上体现出明显的差异。说明纳米Fe2O3的最佳掺量在水泥质量的1.2%左右。综合统计与分析试验过程中的各种试验结果与试验现象，结合经济因素，本文推荐工况4为纳米复合材料水泥混凝土的推荐配比，即纳米复合材料水泥混凝土中纳米SiO2的掺量为水泥质量的1.5%左右，纳米Fe2O3的掺量为水泥质量的1.2%左右。

3纳米复合材料水泥混凝土在房屋基础结构中的应用实例

上述研究成果表明，纳米复合材料水泥混凝土在力学性能方面具有非常好的性能，这非常符合高层建筑基础结构对水泥混凝土的要求。为此，依托相关工程企业，在某高层建设过程中，使用了本研究成果，具体情况如下。本项目涉及的基础采用满堂基础，其受力面积大，受力均匀，其所采用的纳米复合材料水泥混凝土要求为C35等级，在浇筑过程中，选择了12处基础进行浇筑，同时与传统的水泥混凝土进行了对比，各种性能要求如表2所示。从表2可以看出，该工程所采用的纳米复合材料水泥混凝土的各项性能均满足相关要求，同时表现优良，从坍落度及现场泵送情况来看，其施工和易性良好，凝结硬化后未发现模板填充不实的现象，且与钢筋的握裹情况良好，得到了现场技术人员的肯定。在施工过程中，通过与传统的水泥混泥土的对比，发现，本文目前该工程已经竣工验收5年有余，从后续跟踪检测情况来看，文章所提出的纳米复合材料水泥混凝土无论是在施工和易性上、模板的填充情况上、与钢筋的握裹情况上均有着一定的程度的优势。此外，工程没有出现病害，其地面相关裂缝明显少于对比工程，这对于混凝土的耐久性是十分有利的，裂缝的减小能够有效地阻止水分以及其他的有害物质的进入，对于延缓水泥混凝土的腐蚀、减小钢筋的锈蚀、提高水泥混凝土的耐久性均具有一定的作用。上述现象说明纳米复合材料水泥混凝土在房屋基础工程使用效果良好，具有较大的推广应用价值。

4主要结论

本文主要开展的工作如下：选择了纳米SiO2和纳米Fe2O3为原材料，开展了两种材料对水泥混凝土的复合改性研究，研究了两种纳米材料在水泥混凝土中的合理掺量，提出纳米复合材料水泥混凝土材料的推荐用量，并将研究成果在潍坊某高层建筑的基础工程中进行了使用。本文主要的研究结论如下：①不同龄期纳米复合材料水泥混凝土的强度不同，且达到了早强型混凝土的要求。②当纳米SiO2掺量为水泥质量的1.5%和纳米Fe2O3掺量为水泥质量的1.2%时，纳米复合材料水泥混凝土拥有最大的抗压强度。③纳米Fe2O3对纳米复合材料水泥混凝土的抗折强度的提升是有着主导作用的，而纳米SiO2相较于纳米Fe2O3小的多。④纳米Fe2O3的最佳掺量在水泥质量的1.2%左右。⑤纳米复合材料水泥混凝土中纳米SiO2的推荐掺量为水泥质量的1.5%左右，纳米Fe2O3的推荐掺量为水泥质量的1.2%左右。⑥纳米复合材料水泥混凝土在房屋基础工程使用效果良好，具有较大的推广应用价值。

作者：董凤霞 单位：寿光市建筑业发展中心