土木工程用纳米改性水泥基材料的抗渗性研究

0 引言

水泥基材料作为土木工程建设的关键材料 其性能优劣直接关乎工程的质量与耐久性。在众多性能指标中，抗渗性尤为重要，因为水及有害介质的 劣化、结构破坏的主要诱因。随着土木工程向更高质量、更持久耐用方 。传统水泥基材料由于自身孔隙结构特点，难以满足当下高标准的 渗需求。纳米技术 材料性能提供了新契机。将纳米材料引入水泥基材料中形成纳米改性水泥基材料，可从微观层面优化其孔隙结构，显著提升抗渗性，为土木工程的可持续发展奠定坚实基础。

1 纳米材料改善水泥基材料抗渗性的作用机制

1.1 填充效应

纳米材料粒径极小，通常在 1-100nm 范围内。水泥基材料在水化过程中会形成各种孔隙，包括毛细孔、凝胶孔等。纳米颗粒能够进入这些孔 ，减少孔隙尺寸和孔隙率。例如纳米二氧化硅(SiO2）颗粒，其粒 于孔隙之间，使水泥基材料内部结构更加密实，阻断了水及 充效应不仅发生在水泥石本体孔隙中，在骨料与水泥石的界面 材料中结构较为疏松、孔隙率较高的区域，纳米颗粒的填充可显著改善 步阻止外界物质的侵入。

1.2 火山灰反应

部分纳米材料，如纳米(SiO2)、纳米偏高岭土等，具有火山灰活性。在水泥基材料的碱性环境中，这些纳米材料能够与水泥水化产生的氢氧化钙(Ca(OH)2）发生二次反应，生成具有胶凝性的水化硅酸钙（C-S-H）凝胶。以纳米(SiO2)为例，其反应方程式大致为：xSiO2 + yCa(OH)2 + nH2O Ca xSiO2·nH2O。此反应一方面消耗了对水泥基材料耐久性不利的Ca(OH)2，减少了因Ca(OH)2 晶体定向排列形成的薄弱区域；另一方面，新生成的C-S-H 凝胶进一步填充孔隙，优化了水泥基材料的微观结构，使孔隙更加细小、均匀且不连通，极大地提高了材料的抗渗性能。

2 影响纳米改性水泥基材料抗渗性的因素

2.1 纳米材料的种类

不同种类的纳米材料因其自身物理化学性质的差异，对水泥基材料抗渗性的改善效果各不相同。纳米(SiO2)凭借其优异的火山灰活性和良好的填充性能，在提升水泥基材料抗渗性方面表现突出。研究表明，适量掺入纳米(SiO2)可使水泥基材料的孔隙率显著降低，电通量大幅减少，抗渗等级明显提高。纳米(CaCO3)除了能发挥晶核作用加速水泥水化外，其填充效应也有助于改善孔隙结构，提高抗渗性。而碳纳米管、石墨烯等纳米材料，因其独特的一维或二维结构，在水泥基材料中能够形成网络状或片状增强结构。

2.2 纳米材料的掺量

纳米材料的掺量对水泥基材料抗渗性的影响存在一个最佳范围。当掺量过低时，纳米材料的各种作用无法充分发挥，对孔隙结构的改善效果不明显 抗渗性提升有限。随着掺量增加，纳米材料的填充、火山灰及晶核等作用逐渐增强，水泥基材料的抗渗性不 断提高。然 ，当掺量超过一定限度时，可能会出现纳米颗粒团聚现象，导致在水泥基材料中分散不均匀，反而增加了内部缺陷，降低了材料的密实度，使抗渗性恶化。

2.3 纳米材料的粒径

纳米材料的粒径大小对其在水泥基材料中的作用效果有显著影响。一般来说，粒径越小，纳米材料的比表面积越大，表面活性越高，其填充效应、火山灰反应及晶核作用越明显。小粒径的纳米颗粒能够进入更小尺寸的孔隙中进行填充，且能更有效地参与火山灰反应，生成更多的 C-S- H 凝胶。同时，作为晶核时，小粒径纳米颗粒可提供更多的成核位点，更显著地加速水泥水化。但粒径过小也可能带来一些问题，如团聚倾向增加，难以在水泥基材料中均匀分散。

3 纳米改性水泥基材料抗渗性的实验研究

3.1 实验材料与方法

实验选用符合国家标准的普通硅酸盐水泥作为基体材料，纳米材料选取粒径20nm 左右的纳米SiO2 和30nm左右的纳米CaCO3。骨料采用标准砂， 其 实验要求，同时配备适量减水剂以保障水泥浆体工作性能。实验设计不同纳米材料掺 0% 3% 、 5% 、 7% （质量分数），纳米 CaCO3 掺量设为 0% 、 2% 、 4% 、 6% 、 8% 分数） 与超声分散结合的方式分散纳米材料，按标准配合比制备水泥胶砂试件。抗渗性测试采用电通量法和 渗压力法，同步用扫描电子显微镜观察微观结构，分析孔隙特征与纳米材料分布。

3.2 实验结果与分析

在纳米改性水泥基材料抗渗性实验中，纳米 SiO₂ 和纳米CaCO3 对材料抗渗性能的影响呈现出相似规律与差异化特征。对于纳米SiO2 改性体系，随着掺量增加，水泥胶砂试件电通量先降后升，3%掺量时达最低值，较空白试件降低约 30% ；抗渗压力同步变化，3%掺量时较空白试件提高 40% 。微观结构显示，未掺纳米 SiO2 的材料存在较多粗大连通孔隙，3%掺量时纳米颗粒均匀分散，通过填充效应和火山灰反应显著细化孔隙，使结构最为密实。但掺量超过 3%后，纳米颗粒团聚导致孔隙率增加，抗渗性反而下降。

纳米CaCO3 改性体系中，电通量随掺量增加同样呈现先减后增趋势，4%掺量时电通量较空白试件降低 25% ，抗渗压力达峰值，较空白试件提升 35% 。微观分析表明，纳米 CaCO3 通过晶核作用加速水泥水化，促使更多水化产物生成。 4% 掺量时，纳米颗粒均匀分布，水泥石孔隙细小且不连通，结构致密性显著提高。当掺量超过 4% ，团聚现象破坏分散均匀性，阻碍晶核作用充分发挥，导致抗渗性能恶化。两种纳米材料均验证了“适量掺加增效、过量掺加劣化”的规律，且纳米 SiO₂ 在最优掺量下的抗渗提升效果略优于纳米CaCO3。

4 结论

研究表明，纳米材料可通过填充效应、火山灰反应及晶核作用等多重机制优化水泥基材料微观结构，显著提升其抗渗性。纳米材料的种类、掺量、粒径及分散方式是影响抗渗性能的关键因素，存在最佳选择与使用参数范围。实验证实，纳米SiO2 和纳米 CaCO3 在适宜掺量下，能有效降低电通量、提高抗渗压力并细化孔隙结构。但掺量过高会因团聚问题导致抗渗性下降。实际工程中，需结合具体需求合理选用纳米材料并优化使用条件，以充分发挥其在提升结构抗渗性与耐久性中的优势，为土木工程高质量建设提供保障。未来需进一步研究其长期性能与稳定性，推动更广泛高效的工程应用。

参考文献

[1] 唐超, 刘慧妮, 张帅, 等. 纳米材料改性水泥浆液凝结与流动特性试验研究[J]. 矿业研究与开发,2021,41(06):72-76.

[2] 孙琳.纳米 SiO2 改性水泥混凝土抗盐冻性能研究[J].中外公路,2020,40(04):281-285.