新型磁性混凝土的制备及其力学性能研究

混凝土是由骨料、胶凝材料和水以及外加剂共同组成的一种复合材料，其最基本的要求是具有较高的强度和良好的耐久性，其中密实度和抗冻性能尤为重要。本文通过将具有磁性的磁性纳米粒子引入到普通混凝土中，制备出一种新型磁性混凝土材料。并对其力学性能进行测试，为磁通门在混凝土中的应用提供了理论基础和实验依据。1、实验原料与实验方案本实验主要研究一种新型的磁性纳米粒子掺入普通混凝土中的效果；实验原材料为P·O42.5普通硅酸盐水泥、矿渣、硅灰、聚羧酸减水剂、纳米SiO2、水。实验方案：将水泥、硅灰、高效减水剂等原材料按比例混合均匀后制成混凝土；混凝土试件按照体积比1:10进行制作，其中所用胶凝材料占总胶体积的60%，骨料占40%，外加剂占10%。将试件放入马沸炉中加热至200℃，在此温度下保温4h后取出，将试件在干燥箱中烘干至恒重，然后按照一定的配比将纳米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搅拌均匀即可制备出一种新型的磁性混凝土。对这种混凝土进行三点弯曲试验以及抗压强度试验，同时观察并分析其内部结构，并且利用XRD和SEM来分析其微观结构。1.1三点弯曲试验

采用美国ASCE公司生产的QSP-1型数字液压伺服万能试验机检测其抗压强度。将混凝土试件进行编号，然后将其放入加载夹具中进行三点弯曲试验，为避免试件的变形发生在加载夹具上，在加载夹具和试件之间放置了一块方形垫片，此时试件的变形为零。当试件承受最大载荷时，变形开始发生，但是试验过程中没有出现破坏现象，此时的载荷值就是实验得到的最大载荷值。试验完成后将试件从加载夹具中取出并冷却至室温，将试件横截面截取一部分，然后观察其内部微观结构的变化，当在加载夹具上施加较大的载荷时，内部会发生非常明显的变形；在加载到一定程度后，会产生一些细小的裂缝；当达到断裂破坏时，裂纹会非常明显。但是在整个试验过程中没有出现断裂现象；当试件达到断裂破坏时，其内部会发生大量的微纤结构被破坏掉，此时可以看出试件内部有许多裂纹。1.2抗压强度试验混凝土的抗压强度试验是采用美国FISH公司的ASTMD326-5型专用混凝土抗压强度试验机来进行，试验采用的试件尺寸为50mm×50mm，将混凝土试样放入其中，并用标准试块对其进行固定，最后对试件进行加载，测试时将混凝土试块施加足够的压力直至破坏，然后将其拆下并取出试块并测量其抗压强度。通过试验发现，当掺入纳米SiO2后，混凝土的抗压强度有了显著的提高，当纳米SiO2掺量较少时，其自身并不会对混凝土的力学性能造成很大影响；而当纳米SiO2掺量较多时，混凝土的抗压强度反而下降，这是因为当纳米SiO2掺量过多时会在混凝土中形成一定的分散颗粒群，使得混凝土试件之间出现空隙，从而导致抗压强度降低。

1.3微观结构分析采用的是XRD来分析其微观结构，XRD是一种可以通过晶体中原子的排列情况来判断其成分和含量的分析方法。当晶体中含有的原子与其他原子发生相互作用，导致它们的原子排列出现变化，从而形成新的物相组成，从而可以进一步判断出矿物的性质，利用扫描电子显微镜（SEM）来分析其微观结构，以观察混凝土的内部结构和矿物颗粒形状。当混凝土中含有磁性纳米粒子时，会在混凝土内部形成一种类似于微裂纹一样的结构，这些裂纹将会削弱磁性纳米粒子与混凝土之间的相互作用力，通过观察这种微裂纹可以很好地研究磁性纳米粒子在混凝土中的分布情况，通过分析这种微裂纹，可以进一步了解磁性纳米粒子对水泥基材料内部结构产生的影响以及影响效果。2、测试结果与分析为磁性纳米粒子对混凝土性能的影响，实验按总胶材用量的0%、2%、4%、6%、8%、10%掺入混凝土中，测试混凝土7天、28天抗压强度及抗折强度，具体数量如表1。当添加的磁性纳米粒子含量为2%时，混凝土抗压强度和抗折强度都达到最大值；而当磁性纳米粒子的含量为6%时，混凝土抗压强度和抗折强度都有所下降，原因是添加的磁性纳米粒子含量过高，使混凝土中形成了较大的局部应力集中，从而导致强度下降，原因是添加的磁性纳米粒子可以与水泥石中的Ca（OH)2反应形成水化硅酸钙（C-S-H），使水泥石内部结构更加紧密，从而提高混凝土的密实度和抗折强度。但当磁性纳米粒子的含量超过10%时，水化硅酸钙（C-S-H）会被破坏，从而使混凝土力学性能下降，原因是添加的磁性纳米粒子具有一定的磁性，它可以在混凝土中形成一个三维的磁场环境。在这种磁场环境下，水泥石内部结构会更加紧密，从而使混凝土强度得到提高；但是当添加量过多时，磁场就会变得分散且不均匀，从而使混凝土内部产生应力集中现象，使得混凝土破坏。此外，当磁性纳米粒子含量为10%时，混凝土试件内部形成了较大的局部应力集中现象，从而使混凝土出现裂纹。3、作用机理分析3.1磁性纳米粒子与水泥水化产物的作用机理磁性纳米粒子作为一种强磁场效应的物质，其具有很强的磁性；而水泥水化产物中含有大量的C-S-H凝胶，这些凝胶结构具有较大的比表面积和较多的孔穴，是纳米粒子吸附和稳定的场所。此外，水泥水化反应时伴随着大量自由水的产生，这会使水泥浆中自由水含量增加，而这些自由水是对混凝土性能具有改善作用的重要物质。同时，由于磁性纳米粒子具有较大的比表面积和较多的孔穴，所以其在混凝土中起到了分散作用，这就使得磁性纳米粒子可以均匀地分布在水泥浆体中，从而对水泥水化产物起到改善作用。此外，磁性纳米粒子在与水泥水化产物发生反应时会生成大量的C-S-H凝胶，这些凝胶结构能够显著地提高混凝土的密实度，同时，纳米粒子与水泥水化产物发生反应时会释放出大量的热，这些热会促使水泥水化产物中C-S-H凝胶中氢氧化钙分解成钙离子和氢氧根离子，使其重新溶解进入水泥浆体中，从而减少了自由水含量。因此，磁性纳米粒子在混凝土中的分布可以有效地减少自由水含量。

3.2磁性纳米粒子对混凝土力学性能的影响当加入磁性纳米粒子的混凝土试件在室温条件下进行三点弯曲试验时，其抗折强度和抗压强度均高于未加入磁性纳米粒子的混凝土试件，这是因为磁性纳米粒子会增加混凝土中自由水含量，降低混凝土密实度，因此，在高温环境下对混凝土进行养护时应尽量避免高温环境的出现。4、结论综上所述，加入磁性纳米粒子后，普通混凝土的抗压强度提高了22%左右，这是由于加入磁性纳米粒子后，普通混凝土内部形成了一种具有一定磁性的微观结构。这种磁场会促使水泥砂浆和水化产物内部结构重新排列，从而增强了水泥砂浆和水化产物之间的粘合力，这就提高