第31卷增刊 V ol.31 Suppl 工 程 力 学 2014年 6 月 June 2014
ENGINEERING MECHANICS
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收稿日期：2013-03-28；修改日期：2013-12-09 基金项目：国家科技支撑计划项目(2012BAJ13B04)
通讯作者：李庆华(1981―)，女，辽宁人，副教授，博士，主要从事新型水泥基复合材料与混凝土断裂力学研究(E-mail: liqinghua@https://www.doczj.com/doc/0611581344.html,). 作者简介：高 翔(1988―)，男，重庆人，博士生，主从事高性能水泥基复合材料研究(E-mail: zjucceagx@https://www.doczj.com/doc/0611581344.html,)；
徐世烺(1953―)，男，湖北人，教授，博士，主要从事混凝土断裂力学与新型水泥基复合材料研究(E-mail: slxu@https://www.doczj.com/doc/0611581344.html,)； 邵 康(1992―)，男，浙江人，主从事高性能水泥基复合材料研究(E-mail: 313052132@https://www.doczj.com/doc/0611581344.html,)； 安玉鹏(1992―)，男，吉林人，主从事高性能水泥基复合材料研究(E-mail: 919455211@https://www.doczj.com/doc/0611581344.html,)； 文章编号：1000-4750(2014)Suppl-0265-04
高性能水泥基纳米胶凝材料渗透性能及
孔径分布试验研究
高 翔，李庆华，徐世烺，邵 康，安玉鹏，宋炳辰
(浙江大学建筑工程学院，浙江，杭州 310058)
摘 要：为解决混凝土脆性开裂引发的结构渗漏问题，该文提出一种新型高性能纳米改性水泥基复合材料(简称HPNCC)。借助砂浆抗渗仪和压汞仪，着重研究HPNCC 材料在恒定水压作用下的渗透性能和微观孔隙分布。试验结果表明，HPNCC 材料的相对渗透系数仅为 3.64×10-9cm/h ，其抗渗性能是传统纤维增强水泥基复合材料(UHTCC)及普通混凝土的1000倍以上，微观孔隙尺寸更小，结构更为致密，具有优异的抗渗性能。 关键词：水泥基复合材料；纳米胶凝材料；渗透性；压汞仪；孔隙分布
中图分类号：TU577 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.S044
EXPERIMENTAL STUDIES ON PERMEABILITY PROPERTY AND PORE
SIZE DISTRIBUTION OF HIGH PERFORMANCE NANO-BINDER
CEMENTITIOUS COMPOSITES
GAO Xiang , LI Qing-hua , XU Shi-lang , SHAO Kang , AN Yu-peng , SONG Bing-chen
(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China)
Abstract: To solve the seepage of concrete from brittle cracking, the paper introduced a new type of materials, named high performance nano-binder cementitious composites (HPNCC). The permeability property and pore size distribution of HPNCC were investigated through an impermeability instrument and a mercury porosimeter respectively. The experimental results indicated that the relative permeability coefficient of HPNCC with compact microstructures and smaller pore size exhibits only 3.64e-9cm/h. The impermeability of HPNCC is 1000 times better than that of fiber reinforced cementitious composites (UHTCC) and concrete.
Key words: cementitious composites; nano-binder; permeability; mercury porosimeter; pore size distribution
混凝土材料是当今建筑领域应用最为广泛的结构工程材料之一，对我国基础设施的建设和发展起到关键性作用。但是混凝土材料大量使用水泥和石子等不可再生资源，严重污染生态环境、破坏山体植被，不利于资源的可持续利用[1]。此外由于混凝土自身属于半脆性材料，抗拉强度低、变形能力差，在荷载作用下易发生开裂对材料耐久性带来不
利影响，抗渗性等耐久性指标随之严重降低。为改善混凝土材料的脆性开裂缺陷，提高其抗渗性能，许多学者进行了相应研究[2―
5]。
高性能水泥基纳米胶凝材料(简称HPNCC)是
一种纳米改性乱向短纤维增强水泥基复合材料，具有高强度、高韧性、高耐久性的突出特点，并且采用了高掺量工业废料，弥补了混凝土材料环境污染
高、变形能力差等不足。该材料等效弯曲应变可达到5%以上，远优于普通混凝土材料[6]。相对于传统纤维增强水泥基复合材料(如UHTCC[1,7])，在纳米胶凝材料的作用下，HPNCC材料中的胶凝材料得到充分水化生成大量的C-S-H凝胶[8―9]，填充材料内部微观孔隙，使其具有更为密实的微观结构，抗渗性能显著提高，对其耐久性产生积极影响[10]。
本文借助砂浆抗渗仪和压汞仪，着重研究高水压作用下HPNCC材料的渗透性能和微观孔径分布情况，与传统纤维增强水泥基复合材料UHTCC及混凝土渗透性能进行对比，尝试从材料角度彻底解决混凝土脆性开裂这一难题，为混凝土结构开裂渗漏提供一种可行性高的解决方案。
1 试验概况
1.1 试验原材料
试验材料主要有52.5普通硅酸盐水泥、精细沙、粉煤灰、纳米胶凝材料(如表1所示)等活性矿物细掺料、PVA纤维(如表2所示)、聚羧酸盐类高效减水剂、石蜡(熔点50℃~60℃)，拌和水为饮用自来水。
表1 纳米胶凝材料物理性能
Table 1 Physical property of nano-binders
物理性能物相
颗粒
直径/nm
比表面积/
(m2/g)
堆积密度/
(g/cm3)
纯度/
(%)
纳米胶凝材料非晶态20 640 <0.1 ≥99.7
表2 PVA纤维性能指标
Table 2 Properties of PVA fiber
基本性能直径/
μm
长度/
mm
抗拉强度/
MPa
弹性模量/
GPa
极限应变/
(%)
密度/
(g/cm3)
PVA 40 12 1600 40 6 1.3 1.2 抗渗性能试验方案
根据《水工混凝土试验规范》(DT5150-2001)，砂浆抗渗试验采用上部直径70mm、下部直径80mm、高30mm的圆台体试件，每组3个试件，标准养护28d后取出试件。加热掺有少许松香的石蜡，待其完全融化后密封抗渗试件侧面，趁热用千斤顶把其迅速压入抗渗模具中，借助砂浆抗渗仪测量材料抗渗性能。
砂浆抗渗仪水压恒定为3MPa(如图1所示)，持续加压24h停止加压(若中途有超过2个试件顶部渗水立即停止试验)，试验结束劈开抗渗试件，测量试件截面渗透高度，参照式(1)计算相对渗透系数，材料吸水率由各组多余试件干燥加热后浸入水中前后质量差计算所得。
2
m
r2
aD
K
TH
=(1) 式中：K r/(cm/h)为相对渗透系数；D m/cm为平均渗水高度；H/cm为水压力，以水拄高度表示；T/h为恒压时间；a为材料的吸水率。
图1 砂浆抗渗仪
Fig.1 Impermeability instrument
1.3 压汞试验方案
从抗渗试验的各组剩余抗渗试件中取出体积尺寸不大于0.5cm×0.5cm×1cm的块体，放入Micromeritics Autopore IV 9510压汞仪样品容器中，从0~60000psia逐渐加压(如图2所示)。通过在低压和高压状态下压入汞的体积数分析块状固体开放孔和裂隙的孔尺寸分布、孔体积以及孔隙率等参数，研究材料的微观孔隙结构得到孔径尺寸和孔隙体积的对应关系曲线。
图2 压汞仪
Fig.2 Mercury porosimeter
2 试验结果及分析
2.1 抗渗试验结果及分析
试验中，HPNCC和UHTCC各对应3个试件，UHTCC材料试件在3MPa恒定水压作用下不到3h，试件顶部全部渗水随即停止加压；HPNCC材料试件持续加压24h顶部均未出现渗水现象。试验结束后劈裂抗渗试件，观测其截面渗水高度(如图3所
示)，UHTCC 材料的截面渗水线已扩散到试件顶部，而HPNCC 材料的渗水高度不到试件高度的1/4。根据各试验参数计算其相对渗透系数，如表3所示。
(a) UHTCC (b) HPNCC 图3 抗渗试件截面渗透高度 Fig.3 Permeability height in the test 表3 材料相对渗透系数
Table 3 Average permeability coefficient
试件 水压/MPa 时间/h 吸水率/(%) 渗透高度/cm
平均相对 渗透系数/(cm/h) C30[11]
6.34×10?6
UHTCC1 3 2.33 3.00 UHTCC2 3 2.40 3.00 4.24×10?6
UHTCC3 3 2.25 6.70 3.00 HPNCC1 3 24 0.46 HPNCC2 3 24 0.60 3.64×10?9
HPNCC3
3
24
1.72 0.60
由表3可得，28d 龄期HPNCC 材料的平均相对渗透系数仅为3.64×10?9cm/h ，而同龄期UHTCC 材料和C30混凝土的平均相对渗透系数分别为4.24×10?6cm/h 和6.34×10?6cm/h ，远大于HPNCC 材料的相对渗透系数，是其1000倍以上，这表明HPNCC 材料的抗渗性能显著优于UHTCC 材料和普通商品混凝土。这是由于HPNCC 材料中纳米胶凝材料激发了粉煤灰的火山灰性能，促进粉煤灰的二次水化，生成大量C-S-H 凝胶填充材料内部微观孔隙，增加材料的密实度[12]，从而提高HPNCC 的抗渗性能。
2.2 压汞试验结果及分析
通过压汞仪测得HPNCC 和UHTCC 材料微观孔隙参数及材料孔径-孔隙体积关系曲线，如图4、表4所示。HPNCC 的比体积和孔隙率分别为0.177mL/g 和29.04%，略大于UHTCC 材料，但其平均直径、中间体积直径仅为13.8nm 和22.1nm ，约为UHTCC 材料相应参数的50%左右，表明HPNCC 材料孔隙更小、结构更加致密。
从孔径分布体积率及孔径-体积关系曲线中可以发现，HPNCC 材料中孔径为20nm~200nm 的孔体积显著减少，孔径小于10nm 的孔体积显著增加，图4中50nm 对应的体积峰值前移至10nm 左右。这说明纳米胶凝材料填充密实作用主要针对孔径为20nm~200nm 的孔隙，该孔径范围内的孔隙直径通过水化产物填充密实减小到10nm 以内，而对于孔径大于200nm 的孔隙填充密实效果并不明显。纳米胶凝材料通过促进水泥及粉煤灰等水化生成的C-S-H 凝胶是一种絮状胶凝物，在填充过程中小孔径孔隙更容易密实。由于
位
于
20nm~200nm
孔
径范
围
内的孔
体
积
占70%以上，因此纳米胶凝材料对于HPNCC 材料的填充密实
作
用
效果
显著。
图4 材料孔径-孔隙体积关系曲线 Fig.4 Pore size-void volume curve
表4 材料微观孔隙参数
Table 4 Micro-pore coefficient of materials
孔径分布体积率/(%) 试件 比体积/(mL/g)
孔隙率/(%) 平均直径/nm
中间体积直径/nm
0~20nm
20nm~50nm 50nm~200nm
>200nm UHTCC 0.1438 24.57 22.6 47.4 26.42 25.76 17.40 30.42 HPNCC
0.1770
29.04
13.8
22.1
49.02
17.20
3.55
30.23
3 结论
(1) 3MPa 恒定高水压作用下，HPNCC 材料的相对渗透系数仅为 3.64×10?9cm/h ，抗渗性能是UHTCC 材料和普通商品混凝土1000倍以上，可大量应用到大坝、隧道、地下结构等对防水性能要求
高的结构中。
(2) HPNCC 材料平均孔径仅为13.8nm ，远小于UHTCC 材料，微观结构密实。微观孔隙主要分布在孔径20nm~200nm 范围内，占总孔体积70%。在纳米胶凝材料作用下，该孔径范围孔隙填充密实效
果最为明显，对材料抗渗性能产生积极影响。
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