纳米二氧化硅对水泥基材料性能的影响及作用机理研究

摘要

从上世纪九十年代开始，人们掺入纳米材料以改善水泥基材料各方面的性能或赋予其新的性能，以满足经济社会发展不断提高的技术需求。
　　 目前，国内外学者的研究多集中于纳米材料对普通水泥基材料传统力学和耐久性能的影响上，对于纳米材料的作用机理也多根据纳米材料的特性和部分微观结构分析进行推断，缺乏从水泥的水化角度进行分析的研究，同时也未见纳米材料在不同环境条件下对不同类型的水泥基材料的影响研究的报道。
　　 论文首先研究了不同粒径纳米SiO2对水泥净浆流动、力学和耐久性能以及微结构的影响规律，然后结合Krstulovic-Dabic水泥水化模型和水泥水化热试验结果，首次提出了不同粒径的纳米SiO2对水泥水化过程的动力学影响模型。接着，针对不同强度等级的混凝土，研究了纳米SiO2的不同影响并分析了主要原因。
　　 通过上述的试验研究，主要得到了以下的研究结果：
　　 1.纳米SiO2对水泥净浆的流动度有明显的影响，而且粒径越小影响越大。
　　 2.纳米SiO2能够提高水泥净浆的早期强度，但对中后期强度的提高程度不大。如，2％掺量的15nm和50nm的SiO2分别可以提高水泥净浆1d强度38%和57%，但是对于28d强度却没有明显的增大。
　　 3.计算分析了纳米SiO2掺入后对水泥水化各阶段水化度和水化时间的影响规律，初步建立了纳米SiO2对水泥早期水化作用各个阶段的水化模型。纳米SiO2的掺入会提高水泥水化结晶成核与晶体生长(NG)阶段的水泥水化度，但是也会使水泥水化更早进入扩散反应(D)阶段，并且纳米SiO2的加入会降低扩散反应(D)阶段的水化反应速率，进而造成后期强度增长的缓慢。
　　 4.纳米SiO2能够降低水泥净浆的总孔隙率，减小平均孔径和临界孔径，且相同掺量的15nm的SiO2对孔径的细化效果要优于50nm的SiO2。
　　 5.纳米SiO2能够降低水泥净浆中的Ca(OH)2的取向指数，细化Ca(OH)2的尺寸。15nm的SiO2对取向指数的降低比50nm的SiO2更加明显。
　　 6.纳米SiO2在混凝土中的掺量存在一个最佳值，且高强混凝土的最佳掺量要小于普通混凝土。对于C30混凝土，即使纳米SiO2的掺量达到7%，混凝土的强度依然随着纳米材料的增加而增大，但是增幅变小。对于C60混凝土，当纳米SiO2的掺量达到3%时，混凝土的强度便开始下降。
　　 7.对于C30混凝土，纳米SiO2的加入可以显著降低平均孔径，同时，有害孔的体积百分比也显著下降但是对于C60混凝土，纳米SiO2的掺入虽然能够降低总孔隙率，但是对于平均孔径和孔径的分布并没有显著的影响。