纳米SiO2在水泥基材料中的应用进展

摘要：纳米科学和纳米技术的不断涌现，旨在了解和在纳米级水平控制物质科学和技术领域。纳米材料可以表现出独特的物理、化学和生物性质。更高效的表征技术在纳米尺度上的发展，使得纳米材料的飞速增长并运用在各个领域，如土木工程、医药、化工、电子、汽车制造等领域。

关键词：纳米材料 水泥基材料 应用进展

纳米SiO2，无定型的白色粉末状体，是最早用于改性水泥基材料的纳米材料之一，其微观结构类似球体。NS具有尺寸效应，且有特殊的光学和电学性能，即使在高温下也能保持较高的强度和韧性。除此之外，与其他纳米材料相比，NS在促进水泥水化产生Ca（OH）2方面具有独特优势。还具有较强的火山灰活性，能加速水泥水化。在合理掺量下，NS能改善水泥基材料基体的微观孔隙结构，增加结构密实度，提升材料的力学性能与抗氯离子渗透性能等。

（1）NS对水泥砂浆物理性能的影响

许子芳等发现随着NS掺量的增加，水泥的初凝、终凝时间逐渐缩短，且当NS的掺量为0.2%时，水泥净浆的稳定性达到饱和。并通过SEM、XRD分析了NS改性水泥基材料的性能变化机理，发现被改性后水泥砂浆中的Ca（OH）2晶体取向程度降低，晶体细化且成无定型状。改性后的基体内部水化产物增多，龄期结构密实度提高，使得强度增大耐久性提高。Kontoleontos F研究了NS的添加对超细水泥物理力学性能的影响，结果显示在超细水泥中加入NS后，砂浆的流动性明显降低。且当掺入1%的NS时砂浆的初凝、终凝时间分别减少了2.68%、3.54%，当NS的掺量逐渐增加，砂浆的初终凝时间不断缩短。Kooshafar M通过试验得出NS对水泥浆的初始和最终凝固时间有促进作用。与纳米二氧化硅溶胶相比，纳米硅胶在减少水泥初凝、终凝时间上更有效。

（2）NS对水泥砂浆水化反应的影响

Snehal K通过研究NS对二元、三元和四元混合水泥浆和含有微纳米外加剂的砂浆水化性能的影响， 发现二元混合水泥浆体中NS含量的增加显著降低流动性。其原因可归因于颗粒更细的NS填充基体内部空隙，这导致了水需求量的增加以及颗粒之间的凝聚力。 Meng研究了尺寸为15nm和50nm的纳米NS对水泥砂浆水化热的影响，结果表明，NS可以提高水化放热峰的值，缩短水化放热峰的发生时间。NS可以提高水化放热峰的值，缩短水化放热峰的发生时间。在水化初期，与50nm的NS相比，15nm的NS更有效地加速水泥水化速率，快速促进了水化进入D期，更明显地抑制了后期的扩散。Wang系统地研究了平均直径约为20nm的NS颗粒对水泥基材料的改性，结果显示添加NS后，水泥的水化热放热峰明显增加。放热峰的出现时间提前，总热量释放增加。热重差示扫描量热法（TG-DSC）分析表明，纳米SiO2促进了水泥C-S-H凝胶的形成。Lu通过研究NS改善掺有玻璃粉（GP）和玻璃集料的水泥砂浆的早期性能及其机理，结果表明随着NS用量的增加，由于NS具有很高的比表面积和极细的粒径，这需要大量的水包裹细小的NS粒子，使得水泥砂浆的流动值显著降低。添加NS可加速水化，从而缩短凝结时间。

（3）NS对水泥砂浆力学、耐久性能的影响

水泥砂浆内部的孔隙是水泥凝结硬化时形成的，应是水泥砂浆的一种属性，内部孔隙是决定其属性的决定性因素。水泥砂浆硬化后的强度、收缩徐变、抗渗、抗冻性能及各种侵蚀都与孔隙密切相关。换言之，水泥砂浆的内部孔隙决定了其材料特性。 Hanif A等在研究NS对与粉煤灰微球（FACs）结合的水泥浆料性能的影响中发现，随着NS的加入，弥补了掺入FAC产生的较高孔隙率，使得浆料的总孔隙率降低。随着NS的加入，浆体具有更均匀、致密的微观结构。性能改善的主要原因是NS颗粒的填充效应和较强的火山灰效应。文献评价了超细粉煤灰（UFFA）和NS对7天和28天高体积粉煤灰（HVFA）砂浆抗压强度的影响， 当使用2%的NS和10%UFFA的砂浆代替水泥时，7天和28天的抗压强度最高。

在耐久性能方面，丁向群认为NS溶胶对水泥早期强有明显的改善效果，亲水性NS粉对水泥后期强度提高效果明显。并通过XRD、SEM微观手段分析了NS的改性机理：引入不同性状的NS后，水泥3d龄期的产物中发现Ca（OH）2的含量有所降低，而C-S-H、钙矾石的含量有所增加，各晶粒间结合度较好，结构密实度显著提高，才使得水泥强度及耐久性能增高。

综上，NS因具有较强的火山灰活性，在成核和生长期间，NS颗粒可作为初始水化产物，如钙矾石和C-S-H的核，能加速水泥砂浆的水化，从而使得水泥砂浆的凝结时间缩短。由于NS具有很高的比表面积和极细的粒径，则需要大量的水包裹细小的NS颗粒，使得水泥砂浆的流动值显著降低；又能填充水泥砂浆基体内部的微孔隙和微裂缝，使基体密实度增加；故在力学性能上能得到较好的提升。

参考文献

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[5] 严涵， 冉千平， 等. 纳米材料优化水泥基材料性能的研究进展[J]. 中国材料进展， 2017， 9（36）： 645-652.

作者简介：

阎平（1987.05 -），女，汉，辽宁锦州人，学士，无，从事材料学科研究；

赵紫红（1987.09 -），男，汉，河北张家口人，学士，无，建筑工程监理；