纳米二氧化钛颗粒对混凝土力学特性的影响

徐　超　陈有亮　杜　曦

(上海理工大学环境与建筑学院,上海　200093)

∗

　　摘　要:研究了纳米二氧化钛(TiO2)颗粒对混凝土抗压、抗拉及冻融耐久性的影响,并利用颗粒流

PFC2D(ParticleFlowCode,Two-dimensional)对普通混凝土与纳米颗粒改性混凝土进行常温下抗压和抗拉模其相对普通混凝土抗压强度提高了20.18%;纳米颗粒对混凝土的抗拉性能基本无影响,但对混凝土的冻融性有很大的提高,100次冻融循环后其相对普通混凝土抗冻性提高了136.8%。PFC2D能良好地模拟普通混

拟。结果表明:纳米TiO2颗粒能够改善混凝土的致密性,常温下3%掺量的纳米颗粒对其抗压性提高最明显,

凝土及纳米颗粒改性混凝土的抗压和抗拉力学特性,由于混凝土的离散型,模拟与试验应力应变趋势上有微小的差异,但能较准确反应其峰值应力和应变。

　　关键词:纳米改性混凝土;抗压性能;抗拉性能;冻融耐久性

　　DOI:10.13204/j.gyjzG20062604

EFFECTOFNANO-TIO2PARTICLESONMECHANICALPROPERTIESOFCONCRETE

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

XUChao　CHENYouliang　DUXi

Abstract:Theeffectofnano-TiO2particlesonthecompressive,tensileandfreeze-thawdurabilityofconcretewas

studied,andthenormalconcreteandthenano-TiO2concreteweresimulatedatroomtemperaturebyPFC2D.The

resultsshowedthatthenano-TiO2particlescouldimprovethecompactnessofconcrete,atroomtemperature,3%

nano-TiO2particleshadthemostimprovementinconcretecompressivestrength,whichwas20.18%higherthan

normalconcrete.Thetensileperformanceofnano-TiO2concretewasunchanged,butthefreeze-thawresistanceof

nano-TiO2concretehadbeengreatlyimproved.Afterbeingsubjectedto100freeze-thawcycles,itsfreezeresistance

increasedby136.8%comparedtonormalconcrete.PFC2Dcouldwellsimulatethecompressiveandtensile

mechanicalpropertiesofnormalconcreteandnano-particlemodifiedconcrete.Duetothediscretenessofconcrete,reflectitspeakstressandstrain.

therewasaslightdifferencebetweenthesimulatedandexperimentalstressandstraintrends,butitcouldaccurately

Keywords:nano-TiO2concrete;compressiveperformance;tensileperformance;freeze-thawdurability

0　引　言

纳米材料是一种新型的且具有广泛用途的材料,近几年来在建筑领域得到广泛研究[1久性得到了显著的改善

[5]

-4]

少。在混凝土中掺入纳米TiO2颗粒,对试件进行超声波测试、抗拉压试验、冻融循环试验,并利用颗粒流PFC2D对纳米TiO2改性混凝土进行常温下模拟

在混凝土中掺入纳米材料,混凝土的力学性能和耐和孔隙组成。水泥浆体主要是由无定形水合硅酸钙将其他成分结合在一起的连续基质,其密实性很大程度上决定了混凝土的力学特性。从微观上看无定形水合硅酸钙由纳米尺度范围内的极细颗粒组成,这些颗粒通过与水的弱氢键和强硅氧烷键形成了一种无序结构[6]。因此可利用纳米技术对混凝土进前混凝土中应用较多的几种纳米材料有:纳米SiO2

[7]

。通过

。混凝土由水泥浆、骨料

分析,对纳米TiO2混凝土的力学特性进行初步探索。

1　试验原材料及制备1.1　原材料

本试验所用到的原材料包括:碎石、水泥、砂、纳

行微观结构的改变获得宏观上良好的力学特性。目

、纳米CaCO3

∗国家自然科学基金项目(10872133);上海市软科学研究领域重点项目(18692106100)。

第一作者:徐超,男,1991年出生,博士。通信作者:陈有亮,chenyouliang2001@163.com。收稿日期:2020-06-26

[8]

每种材料有不同的性质,其中对纳米TiO2的研究较154　　IndustrialConstructionVol.51,No.4,2021

、纳米TiO2

[9]

、碳纳米管

[10]

,

工业建筑　2021年第51卷第4期

42.5级普通硅酸盐水泥,相对密度为3.12g/cm3,

米TiO2、减水剂、自来水。所用水泥为海螺牌P·O比表面积为321g/cm,安定性良好。水泥主要化学

表2。

表2　纳米TiO2性质

密度/(g·cm

4.260

-3

3

Table2　Nano-TiO2properties

成分含量如表1所示。

)熔点/℃1855

沸点/℃2900

粒径/nm25

表1　水泥化学成分

TiO2

Table1　Chemicalcompositionofcement

22.02

Al2O35.2CaO

64.42

Fe2O35.23MgO1.02

SO3

%

1.2　试件制备1.2.1　配合比

2.1

　　选用天然洁净的河砂,并用孔径0.6mm的标试验用砂最大粒径小于1.2mm,大部分颗粒(99%

普通混凝土用OPC表示,纳米TiO2改性混凝土用TPC表示。例如掺入5%的纳米TiO2改性混凝土表示为TPC5。在制备TPC试件时,发现掺入纳米材料后对混凝土的和易性有很大的影响。图1a为未加减水剂的纳米TiO2掺量为5%时改性混拌成型,这是因为掺入纳米后的胶凝材料总比表面积增大,具有很强的吸水性,因此,本试验选取了巴斯夫2651F减水剂,由前期探索试验得到了TPC试验配合比见表3。图1b、1c、1d分别为OPC、TPC3、TPC5的表观情况,使用减水剂改善水泥浆体流动性,使试件在后期试验中的力学性能更加稳定。凝土试件表面的特征,其流动性差,导致材料很难搅

准筛筛分处理,使用激光粒径分析仪测得粒径分布。以上)在900μm以下;超过50%的颗粒,粒径小于

500μm;平均粒径为0.46mm。

配,压碎指数为4.8%,表面密度为2700kg/m。

采用石灰石质碎石,粒径为5~20mm连续级

3

减水剂采用巴斯夫2651F,这是一种通过喷雾

干燥工艺制成的改性聚羧酸醚,其流动性好,色泽均匀、强度增加明显。　　　　　

试验中所采用的TiO2为白色。具体信息见

a—未掺入减水剂、纳米掺量5%的改性混凝土拌合物特征;b—OPC拌合物特征;c—TPC3拌合物特征;d—TPC5拌合物特征。

图1　不同混凝土拌合物表面特征

Fig.1　Surfacecharacteristicsofconcretemixture

表3　纳米TiO2改性混凝土配合比Table3　Nano-TiO2concretemixproportion

纳米TiO2溶液加入骨料中快速搅拌3~5min,再将

剩余的2/3水逐步加入搅拌机,当流动性达到要求

0.000.010.020.030.040.05

组别OPCTPC

水泥/g415

410.85583406.7398.4402.55583394.25583

583583

583

砂/g碎石/g1224

1224

177177177177177177

水/g减水剂/纳米

TiO2/gg4.14.14.14.14.14.1

0.004.1512.4516.6020.758.30

纳米水

泥比

(浆体在观感上不结团成块,具有一定和易性)即尺寸为100mm×100mm×100mm,如图2所示。抗

可,搅拌完成后,将拌和物装入模具成型。抗压试件拉试验采用自制的哑铃型亚克力模具,试件尺寸如图2所示,R=50mm的圆弧形部分可有效防止抗拉

12241224

1224

1224

时应力集中,使试件能完美嵌入抗拉万能试验机,认为圆弧形内试件不产生应变。抗拉试件有效计算区长、宽、厚分别为80,30,15mm。

1.2.2　试件制备流程

按表3中的配合比称量纳米材料、减水剂和水,将纳米TiO2和减水剂加入1/3的水中进行搅拌,配置成纳米TiO2溶液。为保证纳米充分分散在骨料均匀分散于骨料中,这是制备纳米TiO2改性混凝土的关键。将碎石、水泥、砂称量后倒入5L的水泥胶

2　试验结果讨论2.1　超声波波速

超声波波速测试试验根据超声波的传递速率因材料的弹性模量及密度不同而改变的原理,反映混凝土内部的均匀性及密实度,当混凝土内部有小间

155　

中,应防止纳米在溶液中出现沉淀,充分搅拌使纳米

砂搅拌机中慢速干搅2~4min,骨料充分混合后,将

纳米二氧化钛颗粒对混凝土力学特性的影响———徐　超,等

程度上阻止了水泥的水化反应,导致无定形水合硅酸钙凝胶减少,纳米TiO2掺量过量时试件抗压强度有所下降,考虑到经济因素,纳米TiO2颗粒掺量3%对其抗压性能提升最明显。图5为纳米TiO2改性混凝土抗压应力-应变曲线,可以看出混凝土的应力-应变曲线分为三个阶段:第一阶段为压密阶段,a—抗压试件试件尺寸;图2　b—抗拉试件　mm

。

Fig.2　Specimensizes

隙时,超声波会绕道前进,传递时间增加及波速减慢[11]。纳米TiO2改性混凝土的超声波波速如图3所示,由图可知:随着纳米TiOOPC波速值大2掺量的增加,TPC试件平均超声波波速均比。OPC的平均波速为33634m/s,相对276.OPC67m提高了/s,TPC510.试件波速达到最大值

中掺入一定量的纳米TiO91%,说明在混凝土

2可以提高其致密性,减少试件中的微空隙。同时可以观察到掺量由1%增加至2%时,TPC试件超声波波速上升最快,由

3302.3m/s提升至3518.33量大于3%时,超声波波速m提/s,高当较纳少米,维TiO持2掺

在

3600m/s左右。

×

单个试件;图3　纳米材料掺量对混凝土超声波速的影响—■—平均值。

Fig.3　Effectonoftheamountofadmixtureofnano-TiO2

ultrasonicvelocityofconcrete

2.2　抗压强度

纳米TiO2改性混凝土的抗压强度如图4所示,由图4可知,随着纳米TiO2掺量的增加,抗压强度出现先增大后减小的趋势OPC的大。OPC的平均抗压强,TPC度平均抗压强度均比为41.53TPC5了8.04%。平均抗TPC3压强度的为平44.均87抗MPa,压强相度对最OPCMPa,大,达提而

高

49.91到纳米TiOMPa,相对OPC提高了20.18%。掺入适量的

微细观结构中存在的空隙2均匀分散于水泥砂浆内部,改善了混凝土,提高了混凝土自身的密实度;当掺量过量时虽提高了混凝土密实度,但一定

156　

第二阶段为弹性阶段,第三阶段为屈服阶段。掺入

纳米TiO2对压密阶段和弹性阶段影响较小,OPC与TPC对屈服阶段有一定的影响试件这两个阶段的应,TPC力-应试件峰后离散性变变趋势相似,但是大,部分TPC4与TPC5试件的延性增加,没有出现脆裂的现象。

×

单个试件;图4　纳米TiO—■—平均值。

Fig.4　Effect2掺量对混凝土抗压强度的影响

oftheamountofadmixtureofonnano-TiO2

concretecompressivestrength

2.3　抗拉强度

图6为纳米TiO2混凝土抗拉应力-应变曲线,从图6可以看出:随着纳米TiO度变化不大,OPC的2掺量的增加,TPC抗拉强平均抗拉强度为

2.2.89MPa,TPC3、加,特别是MPa。相对TPC5于TPC5试件应力OPC,TPC平均抗-应变曲线包络的面积有试拉件强峰度值分应别变为微2.小91,增

所增加。OPC和TPC试件的应力-应变曲线趋势有一定的离散性,但所有试件抗拉破坏都是脆性的。试验中发现,试件制备无法达到理想的表面完全平整的状态,试件表面总会出现小的损伤,试件总是从微小的损伤处开始被拉裂,试件表面微小的损伤对混凝土的抗拉影响大于掺入的纳米材料,导致掺入纳米材料不能改善混凝土的抗拉特性。

2.4　冻融抗压强度

图7为不同冻融次数后OPC、TPC3试件的抗压强度。由图7可知,随着冻融循环次数的增加,整体上OPC、TPC3试件的平均最大抗压强度均逐渐41.减少53。MPa,常温TPC3下OPC的的最最大平均抗压强度为

49.大平均抗压强度为

OPC91抗压强度由MPa,提高了41.12.5357%。MPa降为经过17.10025次冻融后工业建筑　2021年第51MPa,,卷第降低

4期

a—OPC;b—TPC1;c—TPC2;d—TPC3;e—TPC4;f—TPC5。

Fig.5　Compressivestress-straincurvesofnano-TiO2modifiedconcrete

图5　纳米TiO2改性混凝土抗压应力-应变曲线

Fig.6　Tensilestress-straincurvesofnano-TiO2modifiedconcrete

图6　纳米TiO2改性混凝土抗拉应力-应变曲线

a—OPC;b—TPC3;c—TPC5。

降低了13.37MPa,其中75次到100次抗压强度下

降得最快。100次冻融循环后TPC3相对OPC平均最大抗压强度少降低了136.8%。可见纳米颗粒能够提高混凝土的密实度,抑制了冻融作用对混凝土内部的破坏,很大程度上提高了混凝土的抗冻性。3　颗粒流PFC2D模拟

×

普通混凝土;❋纳米TiO2混凝土;---普通混凝土平均值;

维/三维颗粒流离散元软件,是一种基于离散单元方法用来模拟、分析离散颗粒团体或颗粒材料组合体的运动变化与力学响应。该研究方法是一种从细观物理力学特性到宏观力学性能响应的过程,可以很好地反映试件裂缝的开展延伸至破坏的全过程。PFC2D/3D基本假定在进行试件模拟时假设[12]

PFC2D/3D(ParticleFlowCode,简称PFC)即二

———纳米TiO2混凝土平均值。

图7　不同冻融次数后OPC、TPC3试件的抗压强度afterbeingsubjectedtodifferentfreezingandthawingcycles

Fig.7　CompressivestrengthofspecimenOPCandTPC3

最快。TPC3抗压强度由49.91MPa降为36.54MPa,

了24.18MPa,其中从50次到75次抗压强度下降得

如下:

纳米二氧化钛颗粒对混凝土力学特性的影响———徐　超,等

157　

重叠;

1)刚性的基本颗粒单元,但可以有很小部分2)颗粒间接触范围相对于颗粒本身尺寸非常3)考虑到纳米级颗粒粒径较小,真实粒径模拟

小,可以认为是点接触;

产生的颗粒数量巨大,现在计算机水平还无法模拟,本文的粒径大小是相对的。3.1　抗压试验模拟

3.1.1　抗压试件颗粒生成与伺服

单元为球形颗粒,试件的尺寸为100mm×100mm,

使用PFC2D软件建模,所采用集合体的计算

图8　OPC、TPC3抗压试件模拟

Fig.8　SimulationdiagramofspecimenOPCandTPC3

a—OPC;b—TPC3。

10502个颗粒(图8b)。可以看出OPC中有许多白

其中OPC产生7080个颗粒(图8a),TPC3产生色的空隙,而TPC3试件中的空隙被大量的红色纳米颗粒填充。当生成了初始模型后,模型体系中接

可以承受摩擦力,只能传递力;第二种是有具体尺寸的线弹性黏结界面,可以传递力和力矩。本文采用平行黏结模型,平行黏结模型颗粒间的接触力来自颗粒间相互重叠产生的接触力和平行黏结模型产生的黏结力和力矩。当它黏结的时候,能抵抗扭矩并且表现为线弹性,直到力超过了强度极限,黏结模型被破坏。表4为两种混凝土的细观参数。可以看出OPC与TPC3主要是在模型颗粒粒径上有区别,从而通过不同数量颗粒形成试件,并且TPC3在抗拉强度上比OPC大了6MPa,一定程度上也影响了其

触精度不够高,颗粒间存在相互作用力,即初始模型不能很好地模拟试件,需要进行伺服机制。所有颗1×10

粒单元的不平衡力平均值与接触力平均值之比小于

-5

时停止伺服,试件状态达到稳定。

3.1.2　抗压试件细观参数取值

线性平行黏结模型包括两种接触界面:第一种是无限小的线弹性界面,这种界面不可以承受张力,　　　　　

混凝土OPCTPC3

抗压特性。

表4　OPC、TPC3试件抗压模拟细观参数

Table4　MicroparametersforspecimenOPCandTPC3undercompression

颗粒最小半径/颗粒最大半径/

mmmm

0.0450.010

0.0750.075

法向刚度/(N·m

-19

切向刚度/(N·m

-19

1×10

)

1×109

1×10

)

摩擦因子0.5770.577

平行黏结有效抗拉强度/

模量/GPaMPa

28.0528.05

2531

黏结强度/

MPa

100100

线性接触有效模量/GPa

99.3399.33

1×109

3.1.3　抗压试验模拟结果分析

图9为两种混凝土抗压破坏时试件的状态,由图可知:OPC试件裂缝宽度大于TPC3,其中OPC产生了2651条裂缝,TPC3产生了4903条裂缝,这主

力相差了0.52%,峰值应变相差了4.28%。可以看出模拟材料能很好地反映出原材料的力学特性。

要是因为纳米颗粒数量多,接触多,从而TPC3破坏时接触断开的数量多,但裂缝尺寸小于OPC。图10为两种混凝土试验与模拟应力应变对比。由图10可知,模拟与试验曲线趋势上有一定的差异,主要是混凝土本身应力-应变趋势就存在离散,这里主要是考虑模拟试件峰值应力与峰值应变。OPC抗压2.23×10,OPC抗压模拟峰值应力为41.5MPa,对

-3

试验峰值应力为42.63MPa,对应的峰值应变为

图9　OPC、TPC3试件模拟抗压破坏

Fig.9　SimulatedcompressionfailureofspecimenOPCandTPC3

a—OPC;b—TPC3。

应的峰值应变为2.66×10,试验与模拟峰值应力

-3

3.2　抗拉试验模拟

3.2.1　抗拉试件颗粒生成与伺服

抗拉的假设条件与抗压相同,由于试件抗拉对试件制备及操作要求高,利用PFC2D对混凝土进

相差了2.65%,峰值应变相差了19.28%。TPC3抗2.57×103,TPC3抗压模拟峰值应力为51.1MPa,

-压试验峰值应力为51.37MPa,对应的峰值应变为

158　

对应的峰值应变为2.68×103,试验与模拟峰值应

-

行模拟能很好地分析其裂缝的开展过程,有助于进

工业建筑　2021年第51卷第4期

产生了6797个颗粒。图11b为TPC3抗拉试件,产

生了8361个颗粒。同样对试件进行伺服机制,所

有颗粒单元的不平衡力平均值与接触力平均值之比小于1×10

-5

时停止伺服,试件状态达到稳定。

图11　OPC、TPC3抗拉试件模拟

a—OPC;b—TPC3。

a—OPC;b—TPC3。

Fig.11　SpecimenOPCandTPC3fortensionsimulation

图10　OPC、TPC3试件的试验和模拟抗压应力-应变曲线

Fig.10　Testandsimulatedstress-straincurvesof

3.2.2　抗拉试件细观参数取值

抗拉试验模拟细观参数通过大量试算得到如表5所示的结果,TPC3与OPC主要的区别在于平行

specimenOPCandTPC3undercompression

一步认识混凝土的力学行为。这里仅对试件有效区

模拟,即为80mm×30mm,图11a为OPC抗拉试件,　　　　　　　　

混凝土OPCTPC3

颗粒最小半径/mm0.0450.010

黏结有效模量,OPC平行黏结有效模量为2GPa,TPC3平行黏结有效模量为1GPa。

表5　试件抗拉模拟细观参数

Table5　MicroparametersforOPCandTPC3undertension

颗粒最大半径/mm0.0750.075

法向刚度/(N·m

-1

切向刚度/(N·m

-1

1×1091×10

9

)

1×1091×10

9

)

摩擦因子0.5770.577

平行黏结有效抗拉强度/模量/GPaMPa

21

11

黏结强度/

GPa

1010

线性接触有效模量/MPa

0.10.1

3.2.3　抗拉试验模拟结果分析

图12为OPC、TPC3的试验模拟破坏试件。OPC模拟产生了89条微裂缝,由于试件上裂缝太试件下半段的接触有所减少。TPC3模拟试件产生了131条微裂缝。模拟破坏模式与试验相似,但在试验中裂缝在有效区出现的位置是随机的,如图1314为OPC、TPC3的试验和模拟抗拉应力-应变曲线,OPC抗拉试验峰值应力为3.08MPa,对应的峰

小,很难观察到,不过可以从试件接触图片上看到,

所示,而模拟裂缝基本上出现在有效区下半段。图

3.14MPa,对应的峰值应变为1.64×104,试验与模

-值应变为1.63×104,OPC模拟峰值应力为

-

拟峰值应力相差了1.94%,峰值应变相差了

0.61%。TPC3试验峰值应力为3.42MPa,对应的3.92MPa,对应的峰值应变为1.57×10,试验与模

峰值应变为1.58×104,TPC3模拟峰值应力为

--4

c—TPC3试件破坏;d—TPC3接触破坏。

a—OPC试件破坏;b—OPC接触破坏;

图12　OPC、TPC3抗拉试件模拟破坏

Fig.12　SimulatedtensionfailureofspecimenOPCandTPC3

拟峰值应力相差了0.52%,峰值应变相差了其应力-应变曲线有离散性,而模拟中的颗粒是圆形,各方向均质,所以模拟与试验趋势上存在一定差

159　

4.28%。试验中混凝土试件原材料存在差异,导致

纳米二氧化钛颗粒对混凝土力学特性的影响———徐　超,等

异,但总体上模拟与试验的峰值应力、应变较为吻合。

平均抗压强度提高了20.18%。

明显,但对混凝土的抗冻性有很大的改善,TPC3相对OPC抗冻性提高了136.8%。

与抗拉力学特性,由于混凝土是复合材料制备而成,2)纳米TiO2颗粒对混凝土的抗拉性能改变不3)PFC2D能良好地模拟OPC与TPC3的抗压

图13　TPC3抗拉试件试验破坏

Fig.13　FailurediagramofspecimenTPC3undertension

图14　OPC、TPC3抗拉试件的试验和模拟应力a—OPC;b—TPC3。

-应变曲线

Fig.14　specimenTestandOPCsimulatedandTPC3stress-strainundertension

curvesof

4　结　论

提高混凝土的1)通过超声波波速测试发现纳致密性,常温下3%掺米量的TiO2颗粒能

纳米颗粒对混凝土的抗压性能提高最明显,TPC3相对OPC　　　　　

160　

同组试件之间应力-应变存在一定离散性,模拟与试验应力-应变趋势上有微小的差异,但模拟能较准确反映试件的峰值应力及对应的应变。

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