纳米SiO2与混凝土掺合料的协同作用与机理研究

摘要

混凝土结构在服役环境下，由于各种原因引起结构性能的劣变，导致耐久性失效。矿物掺合料的使用，不仅可以降低混凝土的制造成本，改善混凝土的工作性能，而且还可以提高混凝土耐久性。但是常用的矿物掺合料例如粉煤灰、矿渣等一般尺寸较大，活性较低，使得混凝土早期强度偏低，且不能满足更高耐久性的要求，而纳米 SiO2具有更小尺寸和更高活性，可以在更加小尺度上优化孔结构，改善混凝土密实度。因此研究纳米SiO2协同掺合料改性，进一步提升混凝土耐久性，延长其使用寿命具有重要意义。
　　本文重点研究纳米SiO2与矿物掺合料的协同作用，探讨纳米SiO2与粉煤灰矿渣之间的协同作用对水泥基材料的影响，分析不同掺量、不同细度的粉煤灰或者矿渣与纳米SiO2协同的作用。通过抗压强度测试、水化放热分析、火山灰活性测试、非蒸发水含量测试、孔结构分析以及微观形貌分析等研究手段，阐明纳米 SiO2与矿物掺合料之间作用的正负效应，以达到扬长避短，合理利用纳米 SiO2与矿物掺合料的目的。取得的主要结果结论如下：
　　（1）纳米SiO2分散方式不同，对力学性能及工作性能的影响不同，通过激光粒度分析和抗压强度测试，当超声功率为50W，结合萘系减水剂的使用，分散效果最好，此时纳米SiO2掺量为3％，28d抗压强度为56.82MPa，提高了10.67%。
　　（2）纳米SiO2与矿渣或粉煤灰共同作用时，可提升水泥砂浆的力学性能，特别是早期强度。对于不同掺量矿渣，当掺量为30%，纳米SiO2掺量为3%时，其28d抗压强度达到最大，为59.42MPa，较未掺加纳米SiO2的试样的抗压强度提高幅度为3.09MPa，提高了5.49%；对于不同细度的矿渣，细度为810m2/kg，30%掺量，3%纳米 SiO2，其28d抗压强度最高，为62.94MPa，较未掺加纳米SiO2的试样提高幅度为10.13MPa，提高了19.17%；对于不同掺量粉煤灰，掺量为40%时，其28d抗压强度的提高程度最高，提高幅度为8.38MPa，提高了22.72%；对于不同细度的粉煤灰，当细度为540m2/kg时，其28d抗压强度最高，为51.53MPa，较未掺加纳米SiO2的试样提高提高幅度为4.2MPa，提高了8.89%。
　　（3）水化放热、非蒸发水含量以及火山灰活性分析表明，掺加纳米 SiO2，可诱导水泥矿物掺合料的水化，使其水化加速期提前，增加了同龄期矿物掺合料早期水化产物；通过非蒸发水含量以及火山灰活性可知，纳米 SiO2对矿物掺合料掺量的影响较大，随着矿物掺合料掺量的增加，纳米 SiO2增加水化产物的量逐渐减小；通过火山灰活性分析，纳米SiO2可以诱导矿物掺合料水化，提前生成C-S-H凝胶。纳米SiO2对矿渣水化的影响较早，7d后水化出现负效应，而对于粉煤灰，在60d前明显促进粉煤灰的水化。
　　（4）通过微观结构分析，纳米SiO2与粉煤灰或矿渣协同作用时可进一步降低水泥静浆的总孔隙率。单掺30%矿渣，孔隙率从21.15%下降到20.51%，而30%矿渣复掺3%纳米SiO2，孔隙率降低为16.41%；掺加30%粉煤灰和3%的纳米 SiO2，孔隙率降低到18.51%。掺加3%纳米SiO2后，将少害孔转化为无害孔，孔径分布改善明显，达到与微米级矿物掺合料在尺度上的协同作用。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 研究课题的提出

1.4 课题研究主要内容

第二章 原材料及试验方法

2.1 原材料

2.2 试验方法

第三章 纳米SiO2与矿物掺合料的协同对砂浆力学性能的影响

3.1 纳米SiO2分散方式及种类的选择

3.2 纳米SiO2与矿渣的协同作用

3.3 纳米SiO2与粉煤灰的协同作用

第四章 纳米SiO2与矿物掺合料的协同对水化性能的影响

4.1 纳米SiO2与矿物掺合料的协同对水化放热的影响

4.2 纳米SiO2与矿物掺合料的协同对非蒸发水的影响

4.3 纳米SiO2对矿物掺合料火山灰活性的影响

4.4 小结

第五章 纳米SiO2与矿物掺合料的协同对孔隙率的影响

5.1 纳米SiO2对孔隙率的影响

5.2 纳米SiO2与矿渣的协同对孔隙率的影响

5.3 纳米SiO2与粉煤灰的协同对孔隙率的影响

5.4 小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

附录