纳米SiO2与硅灰复掺对水泥净浆的改性研究

　　摘要：本文通过水泥净浆实验，研究并找出了不同掺量的纳米SiO2与硅灰复掺对水泥净浆凝结时间和硬化浆体抗压强度的影响规律,有一定的理论及应用价值。

　　关键词：纳米SiO2；硅灰；水泥净浆；改性

　　Abstract: this paper through the cement slurry net experiment, study and find out the different proportion of nano SiO2 and silicon ash after mixing cement slurry to net the setting time and paste the influence law of the compressive strength, have certain theory and application value.

　　Keywords: nano SiO2; Silicon ash; Cement slurry net; modification

　　1．引言

　　纳米技术是对未来经济和社会发展产生重大影响的一种关键性前沿技术，利用微纳米粉体技术改性水泥浆体，可产生很好的效果。因此，必须加强纳米粉体对水泥水化产物之间的相互作用机理的研究，为水泥基材料的高性能、多功能、智能化及超耐久性打下扎实的基础。经过翻阅国内外相关资料[1]，发现不具有火山灰活性的纳米粉体对水泥浆体性能的影响非常显著，纳米级SiO2对水泥基材料的作用尤其明显，本文对纳米级SiO2对水泥净浆的改性机理进行研究。期望能通过添加纳米级微粉进一步改善水泥浆体的性能，为拓宽纳米材料在水泥基材料领域开展的应用打下良好的基础[2]。

　　2.实验部分

　　2.1原料

　　1) 水泥(C):：P·I 42.5 普通硅酸盐水泥，亚泰鼎鹿牌，其各项性能技术指标均满足国家标准要求，其中，初凝时间为2 : 27，终凝时间为3 ：14。

　　2) 纳米SiO2：自制，平均尺寸30 nm，比表面积171 m2/g，密度0.5 g /cm3。

　　3) 硅灰：市场购买。

　　2.2纳米粒子表面改性..

　　由于无机纳米材料本身的极性和颗粒细微化，具有极大的比表面积和较高的比表面能，使它们易团聚，不易在有机介质中分散，与聚合物配伍性能差,直接应用影响纳米粒子的实际作用。为了降低纳米材料的表面极性，提高纳米粒子在有机介质中的分散能力和亲和力[3]，扩大纳米材料应用范围，需要对纳米粒子进行表面改性[4] 。为了提高纳米SiO2的分散性，先取一定量纳米SiO2置于盛有水和无机分散剂的烧杯中，用超声波分散25 min 制得悬浮液。

　　2.3实验方案

　　实验方案如表一所示，P部分：在普通硅酸盐水泥中按不同百分含量单掺纳米SiO2粉体；O部分：在普通硅酸盐水泥中按不同百分含量单掺纳米硅灰粉体；S部分：在普通硅酸盐水泥中按不同质量百分比复掺纳米SiO2粉体及硅灰，并保持其总量为50g。对上述水泥净浆进行凝结时间的测试，以观察三个体系凝结时间的变化情况，对水泥硬化浆体抗压与抗折强度实验结果进行分析，找出最佳纳米二氧化硅与硅灰的掺量，并分析二者对水泥水化历程影响的原因。按GB/T1346一2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间和安定性检验方法》测定改性水泥净浆的凝结时间。抗压、抗折强度参照 GB/T 17671-99《水泥胶砂强度检验方法》进行测试。

　　表1  改性水泥浆体配比方案表

　　编号             O     P1     P2     P3    Q1     Q2     S1     S2    S3

　　水泥用量（kg   ）500   495    485    475    450    475    450    450    450

　　纳米SiO2用量（kg）0    5      15     25     0      0      5      15     25

　　硅灰用量（kg）     0    0      0      0      50     25     45     35     25

　　3 实验结果与分析

　　3.1 改性水泥净浆凝结时间的测定与分析

　　对改性水泥净浆凝结时间进行了测定，得到结果如表2所示。

　　表 2   改性水泥净浆凝结时间及水泥硬化浆体抗压/抗折强度

　　标号                O    P1    P2    P3    Q1     Q2    S1    S2    S3

　　初凝 (min）        190   138    85    73    214    193   153    94    81

　　终凝 (min)         298   223    155   132   335    304    256   167   152

　　△t                108    85    70    59    121    111    103   73    71

　　28d抗压强度（MPa）59.8  48.2   37.8  31.2   68.3    73.3   78.2  69.0   55.7

　　28d抗折强度（MPa）6.5   6.2    5.5    5.1   7.3     7.8    8.8   7.9    6.8

　　压折比             9.2   7.7    6.8    6.1   9.3     9.3    8.8   8.7    8.1

　　表2结果可知，纳米SiO2粉体的加入使水泥净浆的初凝时间、终凝时间以及初终凝时间差都明显缩短，且纳米SiO2粉体掺量越多，对凝结时间的影响越显著。这是由于无定型纳米SiO2所特有的"表面效应"[8尺寸小、表面能较高，位于表面原子占相当大的比例，加速了水泥水化反应速度。对于单掺10%硅灰的试样，水泥浆体的初凝时间和终凝时间都有所增加，说明硅灰对水泥净浆的凝结有一定的抑制作用。S体系在纳米级SiO2粉体与硅灰在水泥净浆双掺总量保持10%不变时，纳米SiO2掺量为3%以内，随SiO2掺量增加，终凝效果增加很多，而由3%增至5%，则终凝效果增加较少。

　　3.2 水泥硬化浆体抗压与抗折强度分析

　　水泥硬化浆体抗压与抗折强度实验结果如表2所示。

　　表2结果可知：P体系当中随着纳米SiO2掺入量的增加,试件抗压、抗折强度和压折比较空白试件均有所降低。Q体系单掺5%和10%硅灰的水泥硬化浆体28d抗压强度和抗折强度均高于空白试件，且随硅灰掺入量增加而明显提高，压折比变化不大。S体系可以看出纳米SiO2和硅灰双掺时，随纳米SiO2掺量减少，硅灰掺量增加，强度明显提高，压折比有所提高，但均低于空白试件。当双掺总量为10%，纳米SiO2掺量为1%时，试件各项强度均最高，

　　4.结论

　　（1）纳米SiO2粉体的加入使水泥净浆的初凝时间、终凝时间以及初终凝时间差都明显缩短，且纳米SiO2:粉体掺量越多，对凝结时间的影响越显著。

　　(2) 随着纳米SiO2掺量增加,试件强度及压折比较空白试件均有所降低，而双掺纳米SiO2和硅灰时强度均有所提高，当双掺总量为10%，纳米SiO2掺量为1%时为最佳复掺量。

　　（3）单掺纳米SiO2时，压折比有明显降低，复掺纳米SiO2和硅灰时压折比有所降低。

　　参考资料：

　　[1] 贺鹏，赵安赤.聚合物改性中纳米复合新技术[J].高分子通报,2001,(l)：74-82.

　　[2] 洪伟良，刘剑洪，田德余.有机-无机纳米复合材料的制备方法[J].化学研究与应用,2000,12(2):132-136.

　　[3] 周华，袁晓露.纳米5102-x水泥基复合材料的水化行为[J].中国水泥，2005，(3):56-58

　　[4] 张立德，纳米材料[M〕.北京:化学工业出版社，2000:39-43