納米材料對水泥砂漿性能影響試驗研究初探

許 繼 剛

(國電大渡河金川水電建設有限公司，四川 金川 624100)

1 試驗機理

水泥本身的顆粒粒徑通常為微米級，但其約為70%的水化產物——水化硅酸鈣凝膠(C-S-H凝膠)尺寸在納米級范圍。水泥硬化漿體實際上是由水化硅酸鈣凝膠為主凝聚而成的初級納米材料,但是這些納米結構在細觀上是比較粗糙的。在膠凝材料中引入納米礦粉(如SiO2、CaCO3和Al2O3等),能夠鍵合更多納米級的C-S-H凝膠,形成三維網絡結構,可以較大程度地提高水泥硬化漿體的物理力學性能和耐久性。為了解納米材料對水泥砂漿性能的影響開展了相關的試驗研究工作。

2 試驗用的原材料

2.1 水 泥

本次試驗采用的膠凝材料為某低熱硅酸鹽水泥，該水泥中C2S含量達61%，其后期的抗沖擊性、耐磨性和抗干縮性能優于普通硅酸鹽水泥。該水泥的粒徑主要集中在3～40 μm，3 d抗壓強度為21 MPa，28 d抗壓強度為51 MPa。

2.2 納米材料

本次試驗使用某公司生產的納米材料，通過微觀分析得知，其單個粒子尺寸小于30 nm，但該納米材料分散性一般，易成團。

2.3 其它材料

骨料采用中級砂，水膠比為0.3，減水劑的摻量為0.25%。試驗組合方案見表1。

表1 納米材料對水泥砂漿性能影響試驗組合方案表

3 試驗結果

根據GB/T50081-2016《普通混凝土力學性能試驗方法》，對以上不同試驗組合方案進行了強度試驗，所取得的試驗成果見表2。

表2 不同方案對水泥砂漿強度性能試驗結果表

試驗結果表明：納米材料可以提高水泥砂漿各齡期的抗壓強度和抗折強度，其摻量對水泥砂漿強度具有一定的影響。隨著納米材料摻量的逐漸增加，水泥砂漿強度呈增長的趨勢。對于水泥砂漿的抗壓強度，當納米材料的摻量超過1%后，水泥砂漿抗壓強度的增長不明顯；對于水泥砂漿的抗折強度，當納米材料的摻量達到2%以后，其抗折強度的增長不明顯。從砂漿流動性分析得知，隨著納米材料摻量的增加其流動性明顯下降。

同時，對部分較具代表性的試樣分別進行了放大100倍和1 600倍電子掃描顯像圖顯示(圖1～3)。

圖b 放大1 600倍

圖a 放大100倍

圖b 放大1 600倍

圖a 放大100倍

圖b 放大1 600倍

對比結果表明：A2、A3和A4為納米材料摻量遞增的砂漿試樣，在電子掃描顯像放大100倍時，A2和A3試樣中的孔洞大部分消失，其主要原因是受納米材料的填充作用及對水的吸附作用影響試塊內部結構相對緊密。當納米材料摻量繼續增加至3%時，納米材料對水的吸附作用較強，導致試塊成型時不能充分振搗密實，為氣泡的存在創造了條件。在電子掃描顯像放大1 600倍時，納米材料參與了水化作用，A2和A3試樣砂漿硬化體中的凝膠體增多，水化結晶體體積變小，整體結構更加緊密。

4 結 語

納米材料活性較高，通過填充和水化作用使水泥漿體結構致密性得到改善，并在一定程度上可以提高水泥砂漿各齡期的抗壓強度和抗折強度。試驗結果表明：納米材料摻量在2%以內時能夠較好地改善水泥砂漿性能。