纳米材料对水泥砂浆性能影响试验研究初探

2018-12-10许继刚

四川水力发电 2018年6期

许继刚

(国电大渡河金川水电建设有限公司，四川金川 624100)

1 试验机理

水泥本身的颗粒粒径通常为微米级，但其约为70%的水化产物——水化硅酸钙凝胶(C-S-H凝胶)尺寸在纳米级范围。水泥硬化浆体实际上是由水化硅酸钙凝胶为主凝聚而成的初级纳米材料,但是这些纳米结构在细观上是比较粗糙的。在胶凝材料中引入纳米矿粉(如SiO2、CaCO3和Al2O3等),能够键合更多纳米级的C-S-H凝胶,形成三维网络结构,可以较大程度地提高水泥硬化浆体的物理力学性能和耐久性。为了解纳米材料对水泥砂浆性能的影响开展了相关的试验研究工作。

2 试验用的原材料

2.1 水泥

本次试验采用的胶凝材料为某低热硅酸盐水泥，该水泥中C2S含量达61%，其后期的抗冲击性、耐磨性和抗干缩性能优于普通硅酸盐水泥。该水泥的粒径主要集中在3～40 μm，3 d抗压强度为21 MPa，28 d抗压强度为51 MPa。

2.2 纳米材料

本次试验使用某公司生产的纳米材料，通过微观分析得知，其单个粒子尺寸小于30 nm，但该纳米材料分散性一般，易成团。

2.3 其它材料

骨料采用中级砂，水胶比为0.3，减水剂的掺量为0.25%。试验组合方案见表1。

表1 纳米材料对水泥砂浆性能影响试验组合方案表

3 试验结果

根据GB/T50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法》，对以上不同试验组合方案进行了强度试验，所取得的试验成果见表2。

表2 不同方案对水泥砂浆强度性能试验结果表

试验结果表明：纳米材料可以提高水泥砂浆各龄期的抗压强度和抗折强度，其掺量对水泥砂浆强度具有一定的影响。随着纳米材料掺量的逐渐增加，水泥砂浆强度呈增长的趋势。对于水泥砂浆的抗压强度，当纳米材料的掺量超过1%后，水泥砂浆抗压强度的增长不明显；对于水泥砂浆的抗折强度，当纳米材料的掺量达到2%以后，其抗折强度的增长不明显。从砂浆流动性分析得知，随着纳米材料掺量的增加其流动性明显下降。

同时，对部分较具代表性的试样分别进行了放大100倍和1 600倍电子扫描显像图显示(图1～3)。

图b 放大1 600倍

图a 放大100倍

图b 放大1 600倍

图a 放大100倍

图b 放大1 600倍

对比结果表明：A2、A3和A4为纳米材料掺量递增的砂浆试样，在电子扫描显像放大100倍时，A2和A3试样中的孔洞大部分消失，其主要原因是受纳米材料的填充作用及对水的吸附作用影响试块内部结构相对紧密。当纳米材料掺量继续增加至3%时，纳米材料对水的吸附作用较强，导致试块成型时不能充分振捣密实，为气泡的存在创造了条件。在电子扫描显像放大1 600倍时，纳米材料参与了水化作用，A2和A3试样砂浆硬化体中的凝胶体增多，水化结晶体体积变小，整体结构更加紧密。