纳米改性水泥的发展及其应用

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(山西六建集团有限公司，山西 太原 030024)

引言

随着我国经济的快速发展，房地产开发成为经济快速发展的支柱，而建筑上用量最大的材料就是混凝土，混凝土中的主要胶凝材料——水泥成为一种大众建材。由于大量生产与使用水泥，使得我国的生态环境更加恶劣。如果将水泥进行改性，使用改性水泥替代传统水泥，在产品达到高强的同时减小生产时对环境的污染，在达到同等强度下减小其使用量，对于环境保护具有重大意义。因此，纳米改性水泥应运而生，将纳米技术应用于水泥中，既可以改善混凝土的耐久性，又可以改善混凝土的微观结构，使所配制的混凝土达到高强混凝土[1]。

1 纳米SiO2改性水泥的研究

在普通硅酸盐水泥硬化浆体中，氢氧化钙晶体随着硅酸钙的水化而结晶。水泥中氢氧化钙的存在使混凝土呈现碱性状态，使得混凝土具有较好的抗碳化能力，同时也保护了混凝土中的钢筋免被锈蚀。氢氧化钙的存在也与水化硅酸钙结合，在一定程度上提高了混凝土的强度，降低了混凝土的徐变。但水泥中含有较多的氢氧化钙，使得混凝土的抗腐蚀能力和抗水性较低，同时也降低了水泥的粘结强度。相关的研究表明，在水泥中加入一定的硅粉可以改善混凝土的界面结构，并且提高了混凝土的粘聚力，但有一定的局限性。

在水泥中加入活性矿物掺料可以生成一种强度较高并且稳定性好的低碱性水化硅酸钙，有效改善了混凝土的性能。在水泥中加入超细矿物掺料配制出的混凝土质地密实，改善了混凝土的界面结构。一般在水泥中加入的纳米材料有硅粉和纳米SiO2，其中加入纳米SiO2的混凝土的流动性和凝结时间都较硅粉减小[2]。因此，在水泥中掺入一定量的纳米SiO2可以有效提高混凝土的早期强度，能够有效地改变氢氧化钙的取向程度，这些变化均有利于改善混凝土界面和物理力学性能[3]。

2 碳纤维和碳纳米管改性水泥

使用低含量的碳纳米管水泥复合材料配制的混凝土，均具有较好的抗压强度和抗折强度。用扫描电镜对碳纳米管水泥复合材料以及碳纤维改性水泥复合材料的微观结构进行分析，结果表明，加入这些碳纳米管的复合材料被水泥反应的水化物所包裹，掺有碳纳米管的水泥砂浆结构较普通水泥砂浆密实。但是碳纤维为细条状结构，并且外表面光滑，在碳纤维和水泥石之间存在较明显的裂缝。通过孔隙率测试表明，水泥浆体中加入碳纳米管后明显改善了材料的微观结构[4]。

(1)原材料：P·O 52.5水泥；多碳纳米管；沥青基碳纤维；甲基纤维素，掺量为0.4%；消泡剂，掺量为0.2%；减水剂；普通标准砂。

(2)水泥砂浆制备工艺：将甲基纤维素溶于水，加入短切碳纤维搅拌2 min。水泥与砂在搅拌机中先慢速搅拌1 min，再加入已经搅拌均匀的碳纤维混合水溶液和消泡剂，再快速搅拌5 min。

(3)砂浆的制备工艺：将水泥与碳纳米管拌合在一起快速搅拌5 min，然后加入砂快速搅拌2 min，最后再加入消泡剂快速搅拌3 min。

当水灰比相同时，对掺入碳纳米管与掺入碳纤维的水泥砂浆的力学性能进行比较可知，砂浆中加入0.5%的碳纳米管时，砂浆的抗压强度和抗折强度较不掺碳纳米管时提高11.6和20%；砂浆中加入0.5%的碳纤维时，砂浆的抗压强度较不掺碳纤维的降低9%，抗折强度较不掺碳纤维的提高22%。

由以上分析可知，砂浆中加入碳纳米管后抗压强度和抗折强度均有提高，而加入碳纤维的抗压强度则下降。这是因为碳纳米管与水泥石界面的作用力主要是化学作用力，粘结力较强且较稳定。而碳纤维与水泥石界面的作用力主要是范德华力，粘结力较小。对于材料而言，界面性能对混凝土的力学性能起绝对性的作用，因此碳纳米管可以改善水泥砂浆的抗压强度和抗折强度。同时，砂浆中的孔隙率和孔洞结构会降低其强度，在砂浆中加入碳纳米管可以填补这些孔洞，或者改变砂浆中的孔洞结构，以此提高砂浆的强度，改善其力学性能。而在砂浆中添加碳纤维后并不能填补这些孔洞，也改善不了这些孔洞结构，因此具有高孔隙率的碳纤维砂浆的抗压强度仍然很低。

3 纳米黏土改性水泥

国内外关于在水泥中加入纳米材料的研究由来已久，尤其是纳米SiO2对水泥混凝土或砂浆的研究，但是还没有关于纳米黏土对水泥基材料的影响研究[5]。将纳米材料作为外加剂掺入到水泥混凝土中，研究纳米材料对水泥净浆流动性、混凝土力学、抗渗和抗冻等性能的影响，研究得到以下几方面结论：

(1)在相同水胶比(W/B)时，使用纳米材料替代等量的水泥等胶凝材料，在水泥基体中加入纳米材料后，基体的流动性先是随着纳米材料掺量的增加而增加，而后随着纳米材料掺量的增加而降低。因此，就纳米材料对水泥基材料的流动性的影响而言，相关研究得出纳米材料的掺量为0.75%时，基体的流动性最好，可以达到168 mm。

(2)当纳米材料掺加量较小(0.5%和0.75%)时，水泥净浆的水胶比(W/B)较小(0.49和0.46)；当纳米材料掺加量>0.75%时，水泥基材料的水胶比随着纳米材料掺量的增加而增加；当纳米材料掺加量为3.0%时，水泥净浆的水胶比与普通水泥净浆接近。

(3)混凝土中掺入0.75%的纳米材料后，可以提高混凝土的密实性，减小混凝土中的孔隙率，水泥浆体的抗渗能力明显高于普通水泥浆体。

(4)混凝土中掺入0.75%的纳米材料后，经过25次的冻融循环，混凝土的质量损失2.1%，强度损失3.2%，而普通混凝土质量损失6.8%，强度损失8.6%，因此可以判定在混凝土中掺入0.75%的纳米材料后，可以明显改善混凝土的抗冻性能。

4 纳米纤维-微粉复合水泥

在自然界和工业中存在着大量的颗粒堆积现象。颗粒堆积的密实度和孔隙率对水泥的强度有着直接的影响。作为一种颗粒堆积物，水泥基材料硬化后形成的浆体是多相并且不均匀的分散体系，因为这种浆体是由水泥、掺合料、骨料和水等配制而成，堆积颗粒的密实度和孔隙的大小、形状会影响这种浆体的各种性能。因此，可以根据堆积颗粒的模型来设计纳米纤维和微粉复合水泥，研究在不同密实度状态下的水泥基材料的性能。其中水泥基材料内部包含一级界面和二级界面[5]。通过以往对高性能混凝土的研究，发现混凝土在受力破坏后，破坏后的断裂面往往穿过骨料，因此在水泥基材料中二级界面不可忽视。

冯奇等[6]依据二级界面理论，研究分析了纳米纤维-微粉复合水泥的二级界面显微结构。他们将这些复合水泥应用于水泥基材料中，根据颗粒模型，模拟出不同密实度的水泥基材料，一共有两种：球形颗粒堆积和纳米纤维增强堆积，并根据二级界面理论分析两种不同堆积情况下的水泥基材料的各种性能和显微结构。研究表明，纳米矿物纤维材料可以有效改善水泥基材料的颗粒级配，增强水泥基材料的密实度，改善水泥基材料的微观结构，提高其均匀性，大幅度提高水泥基材料的硬度和抗弯强度。

5 结语

进入21世纪以来，我国加大了水利、高速公路、高铁、建筑等工程建设力度，其中有很多工程属于百年计划乃至千年计划，这些工程均大量使用了混凝土，因此要求混凝土拥有较好的强度、耐久性和其他性能，这就需要研制更高水准的水泥和混凝土来满足这种需求[7]。美国混凝土协会曾设想，未来美国所使用的混凝土的强度均要达到135 MPa，如果有特殊要求，混凝土强度可以达到400 MPa。只有当混凝土强度达到高强，才能建设出600～900 m高的超高层建筑，以及跨度达到500～600 m的桥梁。因此，目前这种状况很难满足未来社会对水泥和混凝土的要求和需求。采用纳米材料来改善水泥和混凝土的内部结构，可以在纳米矿粉-超细矿粉-高效减水剂-水溶性聚合物-水泥系统中实现，制得高强、高性能的水泥浆基体复合材料，也可以应用于超高性能水泥基涂料和砂浆[8]。所以，纳米改性水泥是未来高性能混凝土原材料的必要组分。

参考文献：

[1] 朱孔赞，李因文，朱化雨，等.纳米改性水泥的研究进展[J].新世纪水泥导报，2011(3)：6-10.

[2] 王立久，王宝民.纳米SiO2对硅酸盐水泥性能影响实验研究[J].大连理工大学学报，2003，43(5)：666-669.

[3] 叶青，张泽南，孔德玉，等.掺纳米SiO2和掺硅粉高强混凝土性能的比较[J].建筑材料学报，2003，6(4)：381-385.

[4] 李庚英，王培铭.碳纳米管-水泥基复合材料的力学性能和微观结构[J].硅酸盐学报，2005，33(1)：105-108.

[5] 仲晓林，李顺凯，孙跃生，等.纳米粘土材料对水泥混凝土性能的影响[J].混凝土，2005(8)：62-63.

[6] 冯奇，刘光明，巴恒静，等.纳米纤维-微粉复合水泥基材料性能与界面结构[J].同济大学学报：自然科学版，2005，33(6)：789-793.

[7] 何登良，董发勤，邓跃全.纳米技术在建筑材料领域的应用[J].混凝土，2005(8)：6-10.

[8] 张志强，王玉平.纳米技术在建筑材料领域的应用[J].四川建筑科学研究，2008，34(3)：172-176.