核壳纳米SiO2改性水泥基材料性能研究

摘要

水泥基材料是人类使用最大宗的建筑材料。水泥制造的碳排放量，约占全球碳排放总量的百分之八，低碳问题是水泥基材料发展面临的重大挑战。技术层面上，合理利用辅助胶凝材料和提升耐久性，是缓解低碳问题的两个重要途径。
　　纳米技术冲击了科学研究的每个角落，水泥混凝土领域也不例外，各种纳米粒子，已经用于改性水泥基材料，例如，纳米二氧化硅、纳米氧化铝、氧化石墨烯等。传统与现代的碰撞，赋予了水泥基材料新的活力。纳米材料虽然性能卓越，但与水泥相比，高昂的价格限制了其在本行业的发展与应用。因此，研究价值和应用价值的交叉区域更具现实意义。纳米二氧化硅(NS)，作为本行业经济成本最低和应用最广泛的纳米材料之一，结合低碳问题背景，目前它的价值交叉区域主要集中在两个方向:其一内掺NS，利用其早期加速效应补偿辅助胶凝材料的延缓作用。其二表面涂覆NS，密实化水泥基材料表面，提高基体耐久性。NS的作用效果强烈依赖其在基质中的分散性能，实现NS的有效分散仍然是一项重要挑战。
　　基于上述背景，为了提升NS的分散性，并将其合理地应用于改性水泥基材料，本文主要在四个方面展开了研究:其一，针对分散性提升，研究了核壳NS的合成;其二针对早期加速效应提升，研究了一系列核壳NS分子结构和水化加速效应的关系，探明最佳的结构和适宜的掺量;其三，针对表面涂覆应用，以毛细吸水性能为切入点，探究不同结构核壳NS改性效果，研究核壳NS密实化基体表面机理。其四，为了丰富核壳NS降低基体吸水性能机理，从界面能的角度，研究不同C-S-H表面和水分子的相互作用。
　　本文所取得的主要创新研究成果如下:
　　(1)提出了通过核壳结构提高NS分散性的构想，采用“grafting to”法，合成了一系列纳米二氧化硅-聚羧酸共聚物核壳纳米粒子(NS@PCE)，验证了“核壳结构建立→纳米分散性能提升→水化加速效应增强”路径的可行性。
　　(2)研究了NS@PCE内掺对早期水化性能影响，采用等温水化量热法等实验手段，建立了NS@PCE核壳结构和早期水化加速效应之间的构效关系。
　　(3)探索了NS@PCE作为表面涂覆材料密实化水泥基表面的应用，采用吸水性能评价了表而处理后水泥基材料的毛细渗透性能，结合纳米粒子的分散性能和火山灰效应，提出了一个假说，揭示了核壳纳米粒子表面处理的机理。
　　(4)研究了C-S-H表面变化后与水分子之间的相互作用，采用分子动力学方法，从纳观尺度，探寻了不同钙硅比C-S-H表面和PCE锚固C-S-H表面后与水分子相互作用机理，从界面能角度，揭示了亲水疏水与界面的关系，丰富了核壳NS改性水泥基表面机理。
　　本文的研究对纳米改性水泥基研究方向，有如下启示意义:其一，纳米粒子的分散性提升可以通过构造核壳结构来解决，PCE是最具潜力的壳构造聚合物;其二，纳米材料的表面性质对其性能发挥有举足轻重的作用，杜绝简单拿来主义，构造适宜水泥基材料体系的纳米材料表面，是放大纳米材料价值的重要途径;其三，表面涂覆应用方兴未艾，能够极大降低纳米粒子应用成本，是纳米粒子在本领域的重点发展方向。