納米氮化硅對水泥早強性能的影響研究

盧婷

（安徽理工大學能源與安全工程學院，安徽淮南232000）

隨著社會發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)λ嗷牧系男枨蟛粩嘣黾?，對水泥基材料的性能要求也越來越高。如何提高水泥材料的早強性和耐久性已成為水泥科學技術(shù)中最為關(guān)注的問題之一[1]。目前，水泥材料的外加劑在實際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，早強劑是其中最為重要的一部分[2]。本文擬研究提高水泥基的早期強度。由于納米材料的尺寸小，表面原子數(shù)多，反應(yīng)活性高，加入水泥后因其高活性可與水泥礦物和水化產(chǎn)物發(fā)生水化過程，進而加速水化反應(yīng)，增加體系的膠凝性能，并且能夠加速水化產(chǎn)物迅速成核[3-4]，眾多學者展開了納米材料應(yīng)用于水泥基中的研究。而納米Si3N4材料是最具有發(fā)展前途的材料之一，除了具有納米材料尺寸小的特性外還具有很好的化學穩(wěn)定性、優(yōu)良的介導性能和優(yōu)異的力學性能[5]。納米Si3N4廣泛應(yīng)用于陶瓷材料以提高材料的耐磨性、耐腐蝕性和耐高溫性，但其在水泥基中的應(yīng)用甚少。本實驗將納米Si3N4摻入水泥基中，從而研究納米Si3N4對水泥基早期強度的影響，并通過SEM和XRD 對早強機理進行分析。

1 實驗部分

1.1 原材料

P·O 32.5 普通硅酸鹽水泥（八公山水泥廠）；納米Si3N4（無錫恒泰有色金屬研究院）。

1.2 實驗方法

依據(jù)GB 8076-2008《混凝土外加劑》，控制水灰比為W/C=0.4。實驗中的各組分摻量百分比均以膠凝材料的質(zhì)量計。將各組分與水泥充分攪拌后注入70 mm×70 mm×70 mm 模具中并放入HBY-60Z 型水泥恒溫恒濕標準箱中養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度20℃，相對濕度98%，養(yǎng)護12 h 后脫模，并繼續(xù)養(yǎng)護至規(guī)定期齡后用無水乙醇終止水化，丙酮浸泡后備用。

（1）抗壓強度測試。根據(jù)GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，水泥試件抗壓強度測試采用YAW-3000 型伺服壓力試驗機。

（2）SEM 分析。將試塊切割為薄片狀樣本后，用FLEXSEM-1000 掃描電子顯微鏡進行SEM分析。

（3）XRD 分析。取適量試塊研磨成粒徑不大于63 μm 的粉末干燥后，用XRD-6000X 射線衍射分析儀進行XRD 分析。

2 實驗過程及結(jié)果分析

將不添加任何外加劑的水泥凈漿設(shè)為基準組；將分別摻入1%、2%、3%的納米Si3N4的水泥試件設(shè)為實驗組，對水泥試件進行相關(guān)早強性能測試。

2.1 抗壓強度分析

摻入不同摻量納米Si3N4的水泥試件，在不同期齡的抗壓強度測試如圖1 所示。從圖1 可以看出，隨著納米Si3N4含量的增加，水泥材料的抗壓強度與基準組相比整體上升，但抗壓強度增加的幅度先增加后下降。主要由于納米Si3N4的尺寸小，可以填補水泥基內(nèi)部的孔隙，因此加入納米Si3N4后抗壓強度增加。但納米Si3N4摻量過多時易發(fā)生團聚，大量的小尺寸顆粒在水泥熟料周圍，一定程度上阻礙了熟料和水的接觸，減緩了水化反應(yīng)，使內(nèi)部產(chǎn)生空隙，改變了水泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此納米Si3N4摻量過大時抗壓強度增加的幅度下降。當納米Si3N4的摻量為2%時試件抗壓強度達到最大值，相較基準組加入2%納米Si3N4的水泥凈漿1、3、7、28 d 抗壓強度分別提高了37.3%、25.3%、22.8%、19.1%。

圖1 不同摻量納米Si3N4 對水泥漿體的抗壓強度影響

2.2 XRD 分析

分別對期齡為1 d 的基準組和摻加2%納米Si3N4的最優(yōu)組進行XRD 分析，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 基準組與最優(yōu)組水化期齡為1 d 的XRD 圖

從圖2 可以看出，經(jīng)過1 d 的水化反應(yīng)，基準組和實驗組的水化產(chǎn)物基本相同，只是兩者水化反應(yīng)的進展不同。其中摻加了2%納米Si3N4的最優(yōu)組的Ca（OH）2、C2S、C3S 峰值要低于基準組，而鈣礬石（AFt）的峰值要高于基準組。通過XRD 分析結(jié)果可以看出，加入納米Si3N4后不改變水泥的水化反應(yīng)組成成分，而水化反應(yīng)界面處的CH 晶體的衍射峰強度較基準組有所下降，說明納米Si3N4可以起到晶核作用，能夠迅速成核，吸引水泥中更多的Ca（OH）2參與二次水化反應(yīng)，生成更多的C-H-S 凝膠和鈣礬石晶體。因此加入納米Si3N4的水泥提高了抗壓強度和耐久性。

2.3 SEM 分析

通過掃描電鏡對水化期齡為1 d 的基準組水泥試件和摻入最佳摻量2%納米Si3N4的水泥試件進行微觀結(jié)構(gòu)分析，對比兩者的SEM圖（圖3、圖4）可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過1 d 水化反應(yīng)后，基準組中仍存在大量未參與反應(yīng)的水泥熟料以及少量的鈣礬石；而摻入2%納米Si3N4的最優(yōu)組則相較基準組結(jié)構(gòu)更致密，孔隙和空隙相對較小，且有更多的針棒狀鈣礬石和交錯分布的C-H-S 產(chǎn)生。由于納米Si3N4的微集料效應(yīng)可以填充水泥熟料之間的孔隙，使水泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密穩(wěn)固；且能夠促進水泥水化，加快水化產(chǎn)物的形成，為水化進展提供了更多的C-H-S 凝膠，改善CH 晶體的定向排列取向性，使界面結(jié)構(gòu)由平面排列向空間結(jié)構(gòu)過渡，改善界面的綜合性能，從而提高水泥的早強性能。

圖3 基準組水泥試件1 d 漿體SEM 圖

圖4 摻入2%納米Si3N4 試件1 d 漿體SEM 圖

3 結(jié)論

（1）加入納米Si3N4后水泥試件的抗壓強度增加，但隨著納米Si3N4的增加，水泥基抗壓強度增加的幅度先上升后下降。其中納米Si3N4的最佳摻量為2%，摻量為2%時1 d 的抗壓強度為9.2 MPa，較基準組提高了37.3%。

（2）摻加納米Si3N4水泥基的早期水化產(chǎn)物與基準組相比明顯增多，且由于納米Si3N4的小尺寸填補了水泥漿的孔隙，使水泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實，孔結(jié)構(gòu)得到了改善；此外還加快了水泥基的水化進程，改善了水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使水泥基的早期強度和耐久性都得到了改善。