納米改性水泥的發(fā)展及其應(yīng)用

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(山西六建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024)

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，房地產(chǎn)開發(fā)成為經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的支柱，而建筑上用量最大的材料就是混凝土，混凝土中的主要膠凝材料——水泥成為一種大眾建材。由于大量生產(chǎn)與使用水泥，使得我國(guó)的生態(tài)環(huán)境更加惡劣。如果將水泥進(jìn)行改性，使用改性水泥替代傳統(tǒng)水泥，在產(chǎn)品達(dá)到高強(qiáng)的同時(shí)減小生產(chǎn)時(shí)對(duì)環(huán)境的污染，在達(dá)到同等強(qiáng)度下減小其使用量，對(duì)于環(huán)境保護(hù)具有重大意義。因此，納米改性水泥應(yīng)運(yùn)而生，將納米技術(shù)應(yīng)用于水泥中，既可以改善混凝土的耐久性，又可以改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，使所配制的混凝土達(dá)到高強(qiáng)混凝土[1]。

1 納米SiO2改性水泥的研究

在普通硅酸鹽水泥硬化漿體中，氫氧化鈣晶體隨著硅酸鈣的水化而結(jié)晶。水泥中氫氧化鈣的存在使混凝土呈現(xiàn)堿性狀態(tài)，使得混凝土具有較好的抗碳化能力，同時(shí)也保護(hù)了混凝土中的鋼筋免被銹蝕。氫氧化鈣的存在也與水化硅酸鈣結(jié)合，在一定程度上提高了混凝土的強(qiáng)度，降低了混凝土的徐變。但水泥中含有較多的氫氧化鈣，使得混凝土的抗腐蝕能力和抗水性較低，同時(shí)也降低了水泥的粘結(jié)強(qiáng)度。相關(guān)的研究表明，在水泥中加入一定的硅粉可以改善混凝土的界面結(jié)構(gòu)，并且提高了混凝土的粘聚力，但有一定的局限性。

在水泥中加入活性礦物摻料可以生成一種強(qiáng)度較高并且穩(wěn)定性好的低堿性水化硅酸鈣，有效改善了混凝土的性能。在水泥中加入超細(xì)礦物摻料配制出的混凝土質(zhì)地密實(shí)，改善了混凝土的界面結(jié)構(gòu)。一般在水泥中加入的納米材料有硅粉和納米SiO2，其中加入納米SiO2的混凝土的流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間都較硅粉減小[2]。因此，在水泥中摻入一定量的納米SiO2可以有效提高混凝土的早期強(qiáng)度，能夠有效地改變氫氧化鈣的取向程度，這些變化均有利于改善混凝土界面和物理力學(xué)性能[3]。

2 碳纖維和碳納米管改性水泥

使用低含量的碳納米管水泥復(fù)合材料配制的混凝土，均具有較好的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。用掃描電鏡對(duì)碳納米管水泥復(fù)合材料以及碳纖維改性水泥復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，加入這些碳納米管的復(fù)合材料被水泥反應(yīng)的水化物所包裹，摻有碳納米管的水泥砂漿結(jié)構(gòu)較普通水泥砂漿密實(shí)。但是碳纖維為細(xì)條狀結(jié)構(gòu)，并且外表面光滑，在碳纖維和水泥石之間存在較明顯的裂縫。通過(guò)孔隙率測(cè)試表明，水泥漿體中加入碳納米管后明顯改善了材料的微觀結(jié)構(gòu)[4]。

(1)原材料：P·O 52.5水泥；多碳納米管；瀝青基碳纖維；甲基纖維素，摻量為0.4%；消泡劑，摻量為0.2%；減水劑；普通標(biāo)準(zhǔn)砂。

(2)水泥砂漿制備工藝：將甲基纖維素溶于水，加入短切碳纖維攪拌2 min。水泥與砂在攪拌機(jī)中先慢速攪拌1 min，再加入已經(jīng)攪拌均勻的碳纖維混合水溶液和消泡劑，再快速攪拌5 min。

(3)砂漿的制備工藝：將水泥與碳納米管拌合在一起快速攪拌5 min，然后加入砂快速攪拌2 min，最后再加入消泡劑快速攪拌3 min。

當(dāng)水灰比相同時(shí)，對(duì)摻入碳納米管與摻入碳纖維的水泥砂漿的力學(xué)性能進(jìn)行比較可知，砂漿中加入0.5%的碳納米管時(shí)，砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度較不摻碳納米管時(shí)提高11.6和20%；砂漿中加入0.5%的碳纖維時(shí)，砂漿的抗壓強(qiáng)度較不摻碳纖維的降低9%，抗折強(qiáng)度較不摻碳纖維的提高22%。

由以上分析可知，砂漿中加入碳納米管后抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有提高，而加入碳纖維的抗壓強(qiáng)度則下降。這是因?yàn)樘技{米管與水泥石界面的作用力主要是化學(xué)作用力，粘結(jié)力較強(qiáng)且較穩(wěn)定。而碳纖維與水泥石界面的作用力主要是范德華力，粘結(jié)力較小。對(duì)于材料而言，界面性能對(duì)混凝土的力學(xué)性能起絕對(duì)性的作用，因此碳納米管可以改善水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。同時(shí)，砂漿中的孔隙率和孔洞結(jié)構(gòu)會(huì)降低其強(qiáng)度，在砂漿中加入碳納米管可以填補(bǔ)這些孔洞，或者改變砂漿中的孔洞結(jié)構(gòu)，以此提高砂漿的強(qiáng)度，改善其力學(xué)性能。而在砂漿中添加碳纖維后并不能填補(bǔ)這些孔洞，也改善不了這些孔洞結(jié)構(gòu)，因此具有高孔隙率的碳纖維砂漿的抗壓強(qiáng)度仍然很低。

3 納米黏土改性水泥

國(guó)內(nèi)外關(guān)于在水泥中加入納米材料的研究由來(lái)已久，尤其是納米SiO2對(duì)水泥混凝土或砂漿的研究，但是還沒(méi)有關(guān)于納米黏土對(duì)水泥基材料的影響研究[5]。將納米材料作為外加劑摻入到水泥混凝土中，研究納米材料對(duì)水泥凈漿流動(dòng)性、混凝土力學(xué)、抗?jié)B和抗凍等性能的影響，研究得到以下幾方面結(jié)論：

(1)在相同水膠比(W/B)時(shí)，使用納米材料替代等量的水泥等膠凝材料，在水泥基體中加入納米材料后，基體的流動(dòng)性先是隨著納米材料摻量的增加而增加，而后隨著納米材料摻量的增加而降低。因此，就納米材料對(duì)水泥基材料的流動(dòng)性的影響而言，相關(guān)研究得出納米材料的摻量為0.75%時(shí)，基體的流動(dòng)性最好，可以達(dá)到168 mm。

(2)當(dāng)納米材料摻加量較小(0.5%和0.75%)時(shí)，水泥凈漿的水膠比(W/B)較小(0.49和0.46)；當(dāng)納米材料摻加量>0.75%時(shí)，水泥基材料的水膠比隨著納米材料摻量的增加而增加；當(dāng)納米材料摻加量為3.0%時(shí)，水泥凈漿的水膠比與普通水泥凈漿接近。

(3)混凝土中摻入0.75%的納米材料后，可以提高混凝土的密實(shí)性，減小混凝土中的孔隙率，水泥漿體的抗?jié)B能力明顯高于普通水泥漿體。

(4)混凝土中摻入0.75%的納米材料后，經(jīng)過(guò)25次的凍融循環(huán)，混凝土的質(zhì)量損失2.1%，強(qiáng)度損失3.2%，而普通混凝土質(zhì)量損失6.8%，強(qiáng)度損失8.6%，因此可以判定在混凝土中摻入0.75%的納米材料后，可以明顯改善混凝土的抗凍性能。

4 納米纖維-微粉復(fù)合水泥

在自然界和工業(yè)中存在著大量的顆粒堆積現(xiàn)象。顆粒堆積的密實(shí)度和孔隙率對(duì)水泥的強(qiáng)度有著直接的影響。作為一種顆粒堆積物，水泥基材料硬化后形成的漿體是多相并且不均勻的分散體系，因?yàn)檫@種漿體是由水泥、摻合料、骨料和水等配制而成，堆積顆粒的密實(shí)度和孔隙的大小、形狀會(huì)影響這種漿體的各種性能。因此，可以根據(jù)堆積顆粒的模型來(lái)設(shè)計(jì)納米纖維和微粉復(fù)合水泥，研究在不同密實(shí)度狀態(tài)下的水泥基材料的性能。其中水泥基材料內(nèi)部包含一級(jí)界面和二級(jí)界面[5]。通過(guò)以往對(duì)高性能混凝土的研究，發(fā)現(xiàn)混凝土在受力破壞后，破壞后的斷裂面往往穿過(guò)骨料，因此在水泥基材料中二級(jí)界面不可忽視。

馮奇等[6]依據(jù)二級(jí)界面理論，研究分析了納米纖維-微粉復(fù)合水泥的二級(jí)界面顯微結(jié)構(gòu)。他們將這些復(fù)合水泥應(yīng)用于水泥基材料中，根據(jù)顆粒模型，模擬出不同密實(shí)度的水泥基材料，一共有兩種：球形顆粒堆積和納米纖維增強(qiáng)堆積，并根據(jù)二級(jí)界面理論分析兩種不同堆積情況下的水泥基材料的各種性能和顯微結(jié)構(gòu)。研究表明，納米礦物纖維材料可以有效改善水泥基材料的顆粒級(jí)配，增強(qiáng)水泥基材料的密實(shí)度，改善水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高其均勻性，大幅度提高水泥基材料的硬度和抗彎強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)加大了水利、高速公路、高鐵、建筑等工程建設(shè)力度，其中有很多工程屬于百年計(jì)劃乃至千年計(jì)劃，這些工程均大量使用了混凝土，因此要求混凝土擁有較好的強(qiáng)度、耐久性和其他性能，這就需要研制更高水準(zhǔn)的水泥和混凝土來(lái)滿足這種需求[7]。美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)曾設(shè)想，未來(lái)美國(guó)所使用的混凝土的強(qiáng)度均要達(dá)到135 MPa，如果有特殊要求，混凝土強(qiáng)度可以達(dá)到400 MPa。只有當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到高強(qiáng)，才能建設(shè)出600～900 m高的超高層建筑，以及跨度達(dá)到500～600 m的橋梁。因此，目前這種狀況很難滿足未來(lái)社會(huì)對(duì)水泥和混凝土的要求和需求。采用納米材料來(lái)改善水泥和混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以在納米礦粉-超細(xì)礦粉-高效減水劑-水溶性聚合物-水泥系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，制得高強(qiáng)、高性能的水泥漿基體復(fù)合材料，也可以應(yīng)用于超高性能水泥基涂料和砂漿[8]。所以，納米改性水泥是未來(lái)高性能混凝土原材料的必要組分。

參考文獻(xiàn)：

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[8] 張志強(qiáng)，王玉平.納米技術(shù)在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用[J].四川建筑科學(xué)研究，2008，34(3)：172-176.