三种纳米材料对水泥砂浆性能的影响_李继芸.pdf

纳米材料发展于20世纪80年代初，粒径范围为1100 nm，小于通常的粉体，是一种超细材料，在各领域均有运用1。混凝土由于受自身材料特性和后期养护条件的影响，其内部存在许多微小裂纹，而纳米材料具有表面效应、体积效应等特性，能够弥补这一缺陷2-5。国内外一些学者研究了不同纳米材料对混凝土力学性能和耐久性能的影响。Amin等6设置了多种纳米二氧化硅掺量，研究了不同掺量下纳米二氧化硅对混凝土强度的影响，发现当纳米二氧化硅掺量为3%时，混凝土强度最高；Atmaca等7通过吸水率试验发现，掺入纳米二氧化硅的混凝土吸水率低于未掺入纳米二氧化硅的混凝土；收稿日期：2023-02-13基金项目：国家重点研发计划课题（2021YFB2600900）；四川省自然科学基金项目（23NSFSC0020、2021YJ0545、2022NSFSC1095）作者简介：李继芸，女，在读硕士研究生，主要研究方向为混凝土材料耐久性。通讯作者：韩建超，男，工程师，学士，主要从事四川能投建工集团有限公司成都空天产业园项目建设工作。引文格式：李继芸，韩建超，李聪林，等.三种纳米材料对水泥砂浆性能的影响 J.市政技术，2023，41（5）：226-230，245.（LI J Y，HAN J C，LIC L，et al.Effect of three nanomaterials on properties of cement mortar J.Journal of municipal technology，2023，41（5）：226-230，245.）文章编号：1009-7767（2023）05-0226-06第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.226Journal of Municipal Technology三种纳米材料对水泥砂浆性能的影响李继芸1，韩建超2*，李聪林2，黄绍宁1，刘梦辉1，蒲励耘1，李福海1（1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.四川能投建工集团有限公司，四川 成都 610011）摘要：通过抗压强度、抗渗强度和吸水率试验，分别研究了纳米二氧化硅、纳米碳酸钙和纳米氧化镁对水泥砂浆性能的影响规律。试验结果表明：掺入纳米材料能够提高水泥砂浆早期的抗压强度，但对其后期抗压强度的影响不明显；掺入纳米材料能够提高水泥砂浆的抗渗强度，但纳米氧化镁对水泥砂浆抗渗性能的影响不明显；掺入纳米材料有利于降低水泥砂浆的吸水率；在相同掺量的条件下，纳米二氧化硅对水泥砂浆性能的作用效果最佳。该研究成果可为纳米材料在混凝土中的应用提供依据。关键词：纳米二氧化硅；纳米碳酸钙；纳米氧化镁；力学性能；抗渗性能；吸水率中图分类号：TU 502文献标志码：AEffect of Three Nanomaterials on Properties of Cement MortarLi Jiyun1，Han Jianchao2*，Li Conglin2，Huang Shaoning1，Liu Menghui1，Pu Liyun1，Li Fuhai1（1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Sichuan Nengtou Construction Engineering Group Co，Ltd.，Chengdu 610011，China）Abstract：The effects law of nano-SiO2，nano-CaCO3and nano-MgO on the properties of cement mortar were studiedby the tests of compressive strength，impervious strength and water absorption.The experimental results show thatthe incorporation of nanomaterials can improve the compressive strength of cement mortar at the early stage，but hasno obvious effect at the later stage；The addition of nanomaterials can improve the impermeability of cement mortar，but the influence of nano-MgO on the impermeability of cement mortar is not obvious；The addition of nanomaterialscan reduce the water absorption rate of cement mortar；Nano-SiO2has the best effect on the performance of cementmortar under the same dosage of three nanomaterials.The research results can provide a basis for the application ofnanomaterials in concrete.Keywords：nano-SiO2；nano-CaCO3；nano-MgO；mechanical properties；impermeability；water absorption rate第5期Mohammed等8研究了纳米二氧化硅对透水混凝土性能的影响，发现掺入纳米二氧化硅可提高透水混凝土的抗压强度，且对混凝土孔隙率和渗透性能没有不利影响；张茂花等9研究了不同纳米碳酸钙掺量对混凝土的影响，发现掺入纳米碳酸钙有利于促进水泥水化，提高混凝土强度，且当其掺量为1%时效果最佳；姚福贵等10研究发现，纳米碳酸钙可以填充混凝土中的孔隙，进而增加混凝土的密度，提高混凝土的抗渗性能；Moradpour等11研究了纳米氧化镁对水泥砂浆渗透性的影响，发现纳米氧化镁水化产物可增加水泥砂浆的密度，进而提高水泥砂浆的力学强度。上述研究表明，纳米材料可以有效提高混凝土的性能，但目前对纳米材料的研究多集中于纳米二氧化硅，对其他纳米材料的研究较少。为了研究纳米二氧化硅、纳米碳酸钙和纳米氧化镁对水泥砂浆性能的影响规律，笔者研究了三种纳米材料在不同掺量下对水泥砂浆抗压强度、抗渗强度和吸水率的影响规律，可为纳米材料在混凝土中的应用提供依据。1试验概述1.1原材料试验原材料为：P.O42.5R普通硅酸盐水泥；粒径20 nm、纯度99.8%的纳米二氧化硅；粒径40 nm、纯度99%的纳米碳酸钙；粒径50 nm、纯度99.9%的纳米氧化镁；ZGISO标准砂。试验采用X射线荧光光谱仪进行定量分析。水泥主要化学成分见表1，基本物理性能见表2。1.2配合比水泥砂浆水灰比为0.5，胶砂比为0.3，每种纳米材料等质量取代水泥，分别为0%、1%、2%、3%，具体配合比见表3。2试验方法2.1试件制备采用JJ-5型水泥胶砂搅拌机制备试件，步骤如下：1）材料准备：按照表3中的配合比秤取原材料（水泥、水、标准砂、纳米材料）；2）混合搅拌：先将水泥、纳米材料、水依次倒入搅拌锅中低速搅拌60 s，再将标准砂倒入搅拌锅中高速搅拌30 s，停90 s后再快速搅拌60 s；3）浇筑：将模具置于振动台上，把步骤2）中制备的混合物浇筑到模具中，并在振动台上振动模具，直到将模具中的混合物振平，然后静置1 d；4）拆模养护：拆模后将试件放入养护室养护。2.2抗压强度参照GB/T 176711999水泥胶砂强度检验方法（ISO法）测试试件抗压强度，试验设备采用DYE-300型全自动抗折抗压一体机。2.3吸水率试验参照ASTM C15852013测量水硬水泥混凝土吸水率的标准试验方法进行。试验步骤：待试件养护好后，将其放入烘箱中，直至试件烘干；试件保留一个接触面，其余表面均用石蜡密封，并测出试件质量m1；将试件放入水中，接触面向下，水淹没试件1/3；测出试件浸水一段时间（1、5、10、20、30、60、180、240、300、360min）后的质量m2。吸水率计算见式（1）。=m2-m1。（1）式中：I为吸水率，mm；m1为试件的初始质量，g；m2为t min后试件的质量，g；A为接触面面积，mm2；为水的密度，g/mm3。SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3R2O烧失量21.085.473.9662.281.732.630.501.61表1水泥主要化学成分Tab.1 Main chemical components of cement%初凝时间/min终凝时间/min安定性171259合格4.929.549.0抗折强度/MPa3 d抗压强度/MPa3 d28 d8.328 d表2水泥基本物理性能Tab.2 Basic physical properties of cement编号水泥水标准砂纳米二氧化硅纳米碳酸钙纳米氧化镁JNS1NS2NS3NC1NC2NC3NM1NM2NM3450.0445.5441.0436.5445.5441.0436.5445.5441.0436.52252252252252252252252252252251 3501 3501 3501 3501 3501 3501 3501 3501 3501 35004.59.013.500000000004.59.013.500000000004.59.013.5表3水泥砂浆配合比Tab.3 Mix proportion of the cement motarkg/m3李继芸等：三种纳米材料对水泥砂浆性能的影响227Journal of Municipal Technology第41卷2.4抗渗压力试验参照GB/T 184452012水泥基渗透结晶型防水材料进行，抗渗试件为圆台，每组6个试块，试块上直径70 mm，下直径80 mm，高30 mm。初始压力值为0.2 MPa，每1 h增加0.1 MPa，当第3个试块表面出现渗水时，试验终止，并记录水压值。水泥砂浆抗渗压力计算见式（2）。P=H-0.1。（2）式中：P为水泥砂浆的抗渗压力；H为水压。3试验结果与分析3.1抗压强度3.1.1纳米二氧化硅对水泥砂浆抗压强度的影响（见图1）由图1可知，水泥砂浆的抗压强度随着纳米二氧化硅掺量的增加呈上升趋势。当纳米二氧化硅掺量分别为1%、2%、3%时，试件养护3 d的抗压强度比基准组分别增加了4.6%、9.8%、23.5%；试件养护7 d的抗压强度比基准组分别增加了1.2%、6.6%、16.2%；试件养护28 d的抗压强度比基准组分别增加了0.7%、2.0%、5.8%。研究表明：在掺入纳米二氧化硅的条件下，试件分别养护3、7、28 d的抗压强度均呈上升趋势，但试件养护28 d抗压强度的上升趋势明显变缓，这是因为纳米二氧化硅能够吸收水泥基体内的氢氧化钙，并在早期生成型的G-S-H凝胶12。3.1.2纳米碳酸钙对水泥砂浆抗压强度的影响（见图2）由图2可知，掺入纳米碳酸钙可以提高水泥砂浆早期的抗压强度，且当纳米碳酸钙掺量为2%时抗压效果较好，但掺入纳米碳酸钙对试件养护28 d的抗压强度影响不明显。纳米碳酸钙掺量为2%时，试件养护3 d的抗压强度比基准组增加了13.0%，试件养护28 d的抗压强度与基准组相差不大；纳米碳酸钙掺量为1%时，试件养护28 d的抗压强度比基准组降低了4%，试件分别养护3、7 d的抗压强度与基准组基本持平；当纳米碳酸钙掺量增加到3%时，试件养护28 d的抗压强度开始下降。这是因为纳米碳酸钙水化后会生成低碳型水化碳铝酸钙晶体，从而提升了水泥砂浆早期的抗压强度，但低碳型水化碳铝酸钙超量也是其后期抗压强度下降的因素之一12。因此，纳米碳酸钙的掺入并不能使水泥砂浆的抗压强度得到大幅度提高。3.1.3纳米氧化镁对水泥砂浆抗压强度的影响（见图3）图1掺入纳米二氧化硅后水泥砂浆的抗压强度Fig.1 Compressive strength of cement mortar mixed withnano-SiO2图2掺入纳米碳酸钙后水泥砂浆的抗压强度Fig.2 Compressive strength of cement mortar mixed withnano-CaCO3图3掺入纳米氧化镁后水泥砂浆的抗压强度Fig.3 Compressive strength of cement mortar mixed withnano-MgO228第5期由图3可知，随着纳米氧化镁掺量的增加，水泥砂浆的抗压强度呈先上升后下降的趋势，整体抗压强度略高于基准组，且当纳米氧化镁掺量为2%时水泥砂浆的抗压强度最大。不同掺量的纳米氧化镁引起水泥砂浆抗压强度变化的原因可能是纳米氧化镁的水化产物氢氧化镁晶体填充了水泥砂浆内部孔隙，从而提高了水泥砂浆的密度，使其抗压强度增加。当纳米氧化镁掺量过多时，氢氧化镁晶体产生的晶体膨胀力过大，可能导致水泥砂浆形成微裂纹，从而降低水泥砂浆抗压强度13。随着试件养护龄期的增加，掺入纳米氧化镁后水泥砂浆抗压强度的增长率呈下降趋势。纳米氧化镁掺量分别为1%、2%、3%的条件下，试件养护3 d的抗压强度比基准组分别增加了4.9%、10.5%、5.6%；试件养护7 d的抗压强度比基准组分别增加了3.9%、5.4%、2.4%；试件养护28 d的抗压强度比基准组分别增加了0.2%、3.8%、0.9%。掺入纳米氧化镁对试件养护28 d的抗压强度影响较小，但对水泥砂浆早期抗压强度的影响显著，这是因为纳米粒子粒径极小，能够直接填充水泥砂浆内部孔隙，且水化产物氢氧化镁晶体也有相同作用，二者能同时增加水泥砂浆密度，所以水泥砂浆早期抗压强度的提高更显著14。3.2抗渗强度（见图4）由图4可知，不同纳米材料的掺入均提高了水泥砂浆的抗渗强度，其中掺入纳米二氧化硅的效果最明显。水泥砂浆抗渗强度随着纳米二氧化硅掺量的增加呈上升趋势，其抗渗强度比基准组分别提高了33%、66.7%、100%。当纳米材料的掺量为1%3%时，纳米碳酸钙与纳米氧化镁对水泥砂浆抗渗强度的影响略低于纳米二氧化硅。当纳米碳酸钙掺量为3%、纳米氧化镁掺量为2%时，水泥砂浆的抗渗强度相同，均较基准组提升了66.7%，但过多的纳米氧化镁会削弱水泥砂浆的抗渗强度。纳米材料具有一定活性，能够促进水泥水化，且生成的水化产物可以填充水泥砂浆内部孔隙，因此纳米材料能够提高水泥砂浆的抗渗强度。3.3吸水率（见图57）由图57可知，掺入纳米材料后水泥砂浆的吸水率均随时间平方根的增加近似呈直线上升趋势，且均低于基准组，其中掺入纳米二氧化硅后水泥砂浆的吸水率与基准组相差最大。掺入不同纳米材料后水泥砂浆吸水率的变化趋势为：当纳米二氧化硅掺量分别为1%、2%、3%时，水泥砂浆的吸水率相近，图4掺入纳米材料后水泥砂浆的抗渗强度Fig.4 Impermeability strength of cement mortar mixed withnanomaterials图5掺入纳米二氧化硅后水泥砂浆的吸水率Fig.5 Water absorption of cement mortar mixed with nano-SiO2图6掺入纳米碳酸钙后水泥砂浆的吸水率Fig.6 Water absorption of cement mortar mixed with nano-CaCO3李继芸等：三种纳米材料对水泥砂浆性能的影响229Journal of Municipal Technology第41卷其中掺量为3%时吸水率最小；掺入纳米碳酸钙后水泥砂浆吸水率的变化趋势为NC3NC2NC1；掺入纳米氧化镁后水泥砂浆吸水率的变化趋势为NM2NM1NM3。因纳米材料粒径小，具有一定活性，且水化后的产物能填充水泥砂浆内部孔隙，进而增加水泥砂浆的密度，所以纳米材料能够降低水泥砂浆的吸水率。4结论1）掺入纳米材料有利于提高水泥砂浆早期的抗压强度，但对其后期抗压强度的影响不明显。随着纳米二氧化硅和纳米碳酸钙掺量的增加，水泥砂浆早期抗压强度均呈上升趋势；随着纳米氧化镁掺量的增加，水泥浆砂抗压强度呈先上升后下降的趋势，当其掺量为2%时，水泥砂浆的抗压强度最高。2）掺入纳米材料能够提高水泥砂浆的抗渗强度，其中掺入纳米二氧化硅效果最佳。水泥砂浆抗渗强度随纳米二氧化硅、纳米碳酸钙掺量的增加均呈上升趋势，但纳米氧化镁对水泥砂浆抗渗强度的影响不大，当其掺量为2%时效果最佳。3）掺入纳米材料有利于降低水泥砂浆的吸水率，随着纳米二氧化硅和纳米碳酸钙掺量的增加，水泥砂浆吸水率均呈下降趋势；当掺入纳米氧化镁，且其掺量为2%时，水泥砂浆的吸水率最小。4）综合分析纳米材料对水泥砂浆抗压强度、抗渗强度和吸水率的影响，纳米二氧化硅和纳米碳酸钙掺量均为3%、纳米氧化镁掺量为2%时，水泥砂浆性能最佳；相同掺量条件下，纳米二氧化硅对水泥砂浆性能的作用效果最佳。参考文献1韩宝国，关新春，欧进萍.纳米氧化钛与碳纤维水泥石的电阻率及压敏性J.硅酸盐学报，2004，32（7）：884-887.（HAN BG，GUAN X C，OU J P.Specific resistance and pressure-sensi-tivity of cement paste admixing with nano-TiO2and carbon fiberJ.JournaloftheChineseceramicsociety，2004，32（7）：884-887.）2SAID A M，ZEIDAN M S，BASSUONI M T，et al.Properties ofconcrete incorporating nano-silicaJ.Construction and 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页）12李固华，高波.纳米微粉SiO2和CaCO3对混凝土性能影响J.铁道学报，2006，28（1）：131-136.（LI G H，GAO B.Effect oflevel SiO2and level CaCO3on concrete performanceJ.Journalof the China railway society，2006，28（1）：131-136.）13REZAM，EHSANT，TAYEBEHP，etal.Theeffectsofnanoscaleexpansive agents on the mechanical properties of non-shrink ce-ment-based composites：the influence of nano-MgO additionJ.Composites part B：engineering，2013，55：193-202.14高凡.纳米氧化镁改性水泥砂浆制备及性能研究D.武汉：武汉轻工大学，2021.（GAO F.Study on preparation and proper-ties of nano-MgO modified cement mortarD.Wuhan：WuhanPolytechnic University，2021.）其他作者：李聪林，男，工民建（中级），学士，主要从事工程管理工作。黄绍宁，男，在读硕士研究生，主要研究方向为混凝土材料耐久性。刘梦辉，男，在读硕士研究生，主要研究方向为混凝土材料耐久性。蒲励耘，男，讲师，博士，主要研究方向为混凝土材料。李福海，男，高级工程师，博士，主要从事混凝土材料耐久性研究工作。（上接第 236 页）5HURLEY，GRAHAMC，BRIANDP.Evaluationofpotentialpro-cesses for use in warm mix asphaltJ.Journal of the associationof asphalt paving technologists，2006，75：41-90.6王志美.温拌沥青路面混合料压实特性研究D.重庆：重庆交通大学，2011.（WANG Z M.Study on compaction character-istics of warm mix asphalt 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