新型磁性混凝土的制備及其力學(xué)性能研究

混凝土是由骨料、膠凝材料和水以及外加劑共同組成的一種復(fù)合材料，其最基本的要求是具有較高的強(qiáng)度和良好的耐久性，其中密實(shí)度和抗凍性能尤為重要。本文通過將具有磁性的磁性納米粒子引入到普通混凝土中，制備出一種新型磁性混凝土材料。并對其力學(xué)性能進(jìn)行測試，為磁通門在混凝土中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。1、實(shí)驗(yàn)原料與實(shí)驗(yàn)方案本實(shí)驗(yàn)主要研究一種新型的磁性納米粒子摻入普通混凝土中的效果；實(shí)驗(yàn)原材料為P·O42.5普通硅酸鹽水泥、礦渣、硅灰、聚羧酸減水劑、納米SiO2、水。實(shí)驗(yàn)方案：將水泥、硅灰、高效減水劑等原材料按比例混合均勻后制成混凝土；混凝土試件按照體積比1:10進(jìn)行制作，其中所用膠凝材料占總膠體積的60%，骨料占40%，外加劑占10%。將試件放入馬沸爐中加熱至200℃，在此溫度下保溫4h后取出，將試件在干燥箱中烘干至恒重，然后按照一定的配比將納米SiO2和硅灰加入混凝土中，并按一定的比例加入水泥基材料中攪拌均勻即可制備出一種新型的磁性混凝土。對這種混凝土進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)以及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，同時(shí)觀察并分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且利用XRD和SEM來分析其微觀結(jié)構(gòu)。1.1三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

采用美國ASCE公司生產(chǎn)的QSP-1型數(shù)字液壓伺服萬能試驗(yàn)機(jī)檢測其抗壓強(qiáng)度。將混凝土試件進(jìn)行編號，然后將其放入加載夾具中進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，為避免試件的變形發(fā)生在加載夾具上，在加載夾具和試件之間放置了一塊方形墊片，此時(shí)試件的變形為零。當(dāng)試件承受最大載荷時(shí)，變形開始發(fā)生，但是試驗(yàn)過程中沒有出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，此時(shí)的載荷值就是實(shí)驗(yàn)得到的最大載荷值。試驗(yàn)完成后將試件從加載夾具中取出并冷卻至室溫，將試件橫截面截取一部分，然后觀察其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，當(dāng)在加載夾具上施加較大的載荷時(shí)，內(nèi)部會發(fā)生非常明顯的變形；在加載到一定程度后，會產(chǎn)生一些細(xì)小的裂縫；當(dāng)達(dá)到斷裂破壞時(shí)，裂紋會非常明顯。但是在整個(gè)試驗(yàn)過程中沒有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；當(dāng)試件達(dá)到斷裂破壞時(shí)，其內(nèi)部會發(fā)生大量的微纖結(jié)構(gòu)被破壞掉，此時(shí)可以看出試件內(nèi)部有許多裂紋。1.2抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是采用美國FISH公司的ASTMD326-5型專用混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行，試驗(yàn)采用的試件尺寸為50mm×50mm，將混凝土試樣放入其中，并用標(biāo)準(zhǔn)試塊對其進(jìn)行固定，最后對試件進(jìn)行加載，測試時(shí)將混凝土試塊施加足夠的壓力直至破壞，然后將其拆下并取出試塊并測量其抗壓強(qiáng)度。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻入納米SiO2后，混凝土的抗壓強(qiáng)度有了顯著的提高，當(dāng)納米SiO2摻量較少時(shí)，其自身并不會對混凝土的力學(xué)性能造成很大影響；而當(dāng)納米SiO2摻量較多時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度反而下降，這是因?yàn)楫?dāng)納米SiO2摻量過多時(shí)會在混凝土中形成一定的分散顆粒群，使得混凝土試件之間出現(xiàn)空隙，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

1.3微觀結(jié)構(gòu)分析采用的是XRD來分析其微觀結(jié)構(gòu)，XRD是一種可以通過晶體中原子的排列情況來判斷其成分和含量的分析方法。當(dāng)晶體中含有的原子與其他原子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致它們的原子排列出現(xiàn)變化，從而形成新的物相組成，從而可以進(jìn)一步判斷出礦物的性質(zhì)，利用掃描電子顯微鏡（SEM）來分析其微觀結(jié)構(gòu)，以觀察混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和礦物顆粒形狀。當(dāng)混凝土中含有磁性納米粒子時(shí)，會在混凝土內(nèi)部形成一種類似于微裂紋一樣的結(jié)構(gòu)，這些裂紋將會削弱磁性納米粒子與混凝土之間的相互作用力，通過觀察這種微裂紋可以很好地研究磁性納米粒子在混凝土中的分布情況，通過分析這種微裂紋，可以進(jìn)一步了解磁性納米粒子對水泥基材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響以及影響效果。2、測試結(jié)果與分析為磁性納米粒子對混凝土性能的影響，實(shí)驗(yàn)按總膠材用量的0%、2%、4%、6%、8%、10%摻入混凝土中，測試混凝土7天、28天抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度，具體數(shù)量如表1。當(dāng)添加的磁性納米粒子含量為2%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都達(dá)到最大值；而當(dāng)磁性納米粒子的含量為6%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都有所下降，原因是添加的磁性納米粒子含量過高，使混凝土中形成了較大的局部應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降，原因是添加的磁性納米粒子可以與水泥石中的Ca（OH)2反應(yīng)形成水化硅酸鈣（C-S-H），使水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密，從而提高混凝土的密實(shí)度和抗折強(qiáng)度。但當(dāng)磁性納米粒子的含量超過10%時(shí)，水化硅酸鈣（C-S-H）會被破壞，從而使混凝土力學(xué)性能下降，原因是添加的磁性納米粒子具有一定的磁性，它可以在混凝土中形成一個(gè)三維的磁場環(huán)境。在這種磁場環(huán)境下，水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)會更加緊密，從而使混凝土強(qiáng)度得到提高；但是當(dāng)添加量過多時(shí)，磁場就會變得分散且不均勻，從而使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得混凝土破壞。此外，當(dāng)磁性納米粒子含量為10%時(shí)，混凝土試件內(nèi)部形成了較大的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而使混凝土出現(xiàn)裂紋。3、作用機(jī)理分析3.1磁性納米粒子與水泥水化產(chǎn)物的作用機(jī)理磁性納米粒子作為一種強(qiáng)磁場效應(yīng)的物質(zhì)，其具有很強(qiáng)的磁性；而水泥水化產(chǎn)物中含有大量的C-S-H凝膠，這些凝膠結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積和較多的孔穴，是納米粒子吸附和穩(wěn)定的場所。此外，水泥水化反應(yīng)時(shí)伴隨著大量自由水的產(chǎn)生，這會使水泥漿中自由水含量增加，而這些自由水是對混凝土性能具有改善作用的重要物質(zhì)。同時(shí)，由于磁性納米粒子具有較大的比表面積和較多的孔穴，所以其在混凝土中起到了分散作用，這就使得磁性納米粒子可以均勻地分布在水泥漿體中，從而對水泥水化產(chǎn)物起到改善作用。此外，磁性納米粒子在與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)時(shí)會生成大量的C-S-H凝膠，這些凝膠結(jié)構(gòu)能夠顯著地提高混凝土的密實(shí)度，同時(shí)，納米粒子與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)時(shí)會釋放出大量的熱，這些熱會促使水泥水化產(chǎn)物中C-S-H凝膠中氫氧化鈣分解成鈣離子和氫氧根離子，使其重新溶解進(jìn)入水泥漿體中，從而減少了自由水含量。因此，磁性納米粒子在混凝土中的分布可以有效地減少自由水含量。

3.2磁性納米粒子對混凝土力學(xué)性能的影響當(dāng)加入磁性納米粒子的混凝土試件在室溫條件下進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時(shí)，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均高于未加入磁性納米粒子的混凝土試件，這是因?yàn)榇判约{米粒子會增加混凝土中自由水含量，降低混凝土密實(shí)度，因此，在高溫環(huán)境下對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)盡量避免高溫環(huán)境的出現(xiàn)。4、結(jié)論綜上所述，加入磁性納米粒子后，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了22%左右，這是由于加入磁性納米粒子后，普通混凝土內(nèi)部形成了一種具有一定磁性的微觀結(jié)構(gòu)。這種磁場會促使水泥砂漿和水化產(chǎn)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新排列，從而增強(qiáng)了水泥砂漿和水化產(chǎn)物之間的粘合力，這就提高