纳米SiO2对漂珠-碱式硫酸镁新型发泡水泥强度的影响

张 静，李名远，王栓巧，罗 丹，田春雨，贾 磊

(1.内蒙古建筑职业技术学院；2.内蒙古自治区建筑业协会，内蒙古 呼和浩特 010070)

以碱式硫酸镁5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O、漂珠、水泥等为主要原料,通过加入添加剂,经自然养护成型而制得的新型保温材料作为一种发泡水泥材料，由于质量轻、节约材料、绿色环保、保温性能好、耐火性好、与建筑主体同寿命、来源广等优势，已被广泛应用于建筑行业。然而，发泡水泥由于其抗压、抗折强度低的特点，又限制了其部分应用领域。尤其是100 kg/m3～300 kg/m3的发泡水泥，强度低、需求量大。因此，如何在保证发泡水泥使用效果的前提下，有效提高其抗压和抗折强度，非常必要。

发泡水泥的化学组成成分和微观组织决定其抗压强度和抗折强度。有研究表明[1]，纳米SiO2由于其自身特殊的结构特性和化学活性，作为改性剂被引入混凝土，可以提高普通混凝土7 d和28 d的抗压及抗折强度。因此，笔者通过加入纳米SiO2作为改性剂，改善其微观组织，有望提高其强度，并初步探讨纳米SiO2对漂珠-碱式硫酸镁保温材料形成机理的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

所用试验材料为碱式硫酸镁5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O、漂珠、P·O 42.5R普通硅酸盐水泥、油酸三乙醇胺溶液、双氧水(质量浓度27.5%)、柠檬酸、萘系减水剂、水。文中选用的纳米SiO2，其加入量分别为发泡水泥混合料总质量的0.01 wt.%、0.02 wt.%、0.03 wt.%、0.04 wt.%、0.05 wt.%。

1.2 试件制备

笔者以5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O、漂珠、P·O42.5R普通硅酸盐水泥、油酸三乙醇胺溶液，双氧水(质量浓度27.5%)、柠檬酸、萘系减水剂为主要原料，通过调整原料配合比，制备了密度为204 kg/m3的发泡水泥试块，粉煤灰和水泥的质量比为3∶1，粉煤灰占胶凝材料总量的75%。

具体制备步骤如下:将5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O、漂珠、P·O42.5R普通硅酸盐水泥按照一定的质量百分比混合，倒入搅拌设备，以60 rad/min的转速搅拌5 min；依次加入油酸三乙醇胺溶液、水、萘系减水剂，以60 rad/min的转速搅拌3 min；依次加入一定质量百分比的双氧水和柠檬酸，以80 rad/min的转速搅拌30 s后，搅拌停止，制成两种尺寸的标准试块，分别100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm，放入标准养护室分别养护7 d和28 d。

1.3 试验方法

表观干密度试验、抗压强度试验、抗折强度试验根据JG/T266-2016中的规定进行。采用QUANTA-400电子扫描显微镜观察表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 纳米SiO2对泡沫形成过程和泡沫稳定性的影响

通过观察漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥在模具中的体积，5 min内发泡水泥体积不再发生变化，则界定为其泡沫已全部形成。纳米SiO2的加入，减少了漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥中泡沫形成所需的时间。由图1可以看出，当纳米SiO2含量超过0.2 wt.%时，发泡水泥起泡时间逐渐减小，当其含量增加到0.5%时，起泡时间可缩短15 min。通过观察试验现象，可以看出，当纳米SiO2含量超过0.5 wt.%时，已出现塌模现象。

泡沫的形成,实际上是气体不断抵抗溶液表面张力和溶液黏滞力而使气体表面积不断增大的过程,只有当溶液表面张力及溶液黏滞力同泡沫自身重力达到平衡时,才会形成泡沫。泡沫便不会在自身重力作用下发生下落，也不会在表面张力作用下不断膨胀而发生破裂现象。随着纳米SiO2含量的增加，起泡时间减少，甚至出现塌模现象，即达到这种平衡的时间减少。而当纳米SiO2含量<0.1wt.%时，起泡时间几乎没有发生变化，这是由于纳米粒子由于侨联作用，增加了泡沫间的骨架作用，从而充当了支撑泡沫的桥梁作用，提高了泡沫的平衡力。因此，本试验选择添加含量为0～0.1wt.%的纳米SiO2加入漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥。

2.2 纳米SiO2对泡沫混凝土强度的影响

表1所示为纳米SiO2含量对漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥抗压强度的影响。可以看出，当纳米SiO2含量的添加量由0.01 wt.%逐渐增加为0.10 wt.%时，漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥的抗压强度呈现出先升高后降低的趋势。这表明，通过在漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥基体中加入适量的纳米SiO2，会提高基体的抗压强度。

表1 漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥28d抗压强度(MPa)

表2所示为纳米SiO2含量对漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥抗折强度的影响。由表2可以看出，随着纳米SiO2含量的增加，其抗折强度同样呈现出先升高后降低的趋势。纳米SiO2含量为0.06wt.%时，其抗折强度提高了27.2%。这表明，通过在漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥基体中加入适量的纳米SiO2，同样会提高基体的抗折强度，其提高幅度低于抗压强度。

表2 漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥28d抗折强度(MPa)

2.3 纳米SiO2对微裂纹的影响

微裂纹是影响漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥力学性能的重要因素之一。图2为未掺纳米SiO2的漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥形成的微裂纹。可以看出，在图示范围内存在多条纵横方向的微裂纹，其长度可达5 μm～10 μm，宽度可达1 μm～2 μm，也不乏交叉微裂纹的存在。微裂纹不断地发生扩展引起断裂，从而导致漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥力学性能的损伤劣化。

图3所示为纳米SiO2添加量分别为0.05 wt.%时，漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥试样的微裂变化情况。由图3 中可以看出，微裂纹几乎不再出现纵向连续贯通的裂纹，而是分别以纵向、横向、斜向的裂纹形式存在。对比图2可以看出，微裂纹的数量明显减少且长度较未掺纳米SiO2的漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥明显减小。同时，可以看出，微裂纹在底部时开始发生偏转，出现横向、斜向交叉裂纹形式。微裂纹的长度范围3 μm～5 μm，宽度范围1 μm～3 μm，较图2明显降低。

2.4 纳米SiO2的增强机制

纳米材料特有的尺寸效应使得纳米材料具有一系列的奇异性质。纳米SiO2颗粒直径小(10 nm～60 nm)、比表面积极大(400 m2/g～700 m2/g)，由于其表面原子存在许多悬空键，具有极强的不饱和性，易与其他原子结合形成稳定键，因而具有较大的化学活性。纳米SiO2为特殊的网状结构，呈三维链状分子结构，而这种特殊的结构将大幅度提高材料的强度和韧性[2]。这种结构将促进水泥浆中分子结构的改变，会形成新的三维链状分子结构。

漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥由大量的气孔组成，这是造成其强度低的重要原因。同时，漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥在使用一段时间后，其表面容易开裂，形成干缩裂纹[3]。而气孔是形成干缩裂纹的直接原因，成为裂纹发展的直接动力，在外力的作用下如自重、风荷载等作用下，裂纹不断扩展。研究发现[4]，物质中纳米粒子的存在能使裂纹尖端产生侨联效应，是纳米材料产生增强机制的主要原因。本试验，通过在漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥中加入纳米SiO2，使裂纹尖端有纳米粒子的存在，裂纹扩展过程中，遇到纳米粒子，产生桥联作用，需要消耗更多的能量，从而抑制裂纹扩展，提高其强度，降低干燥收缩值。

3 结论

①通过在漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥基体中加入适量的纳米SiO2，有效提高其抗压强度，试样达28 d龄期，抗压强度最高提高了23.3%。②通过在漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥基体中加入适量的纳米SiO2，有效提高其抗折强度，试样达28 d龄期，抗折强度最高提高了27.2%。③通过在漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥中加入纳米SiO2，使裂纹尖端有纳米粒子的存在，裂纹扩展过程中，遇到纳米粒子，产生桥联作用，需要消耗更多的能量，从而抑制裂纹扩展，提高其强度，降低干燥收缩值，这是纳米SiO2能够提高漂珠-碱式硫酸镁发泡水泥抗压及抗折强度的主要原因之一。