使用纳米水泥和纳米添加剂，是否能够改善水泥基复合材料的性能？

文 | 云上乌托邦

编辑 | 云上乌托邦

前言

在过去的十年里，建筑技术发生了一些深刻的变化。一方面，重点是施工技术，另一方面，重点是使用各种建筑材料，特别是替代材料。从水泥基复合材料的短期和长期力学特性的角度进行了许多研究。

这导致了不同添加剂的出现，以改善传统混凝土的物理化学和机械性能。新改良混凝土现在表现出更好的止裂机制、更好的蠕变收缩性能、高耐久性等。

关于纳米技术在混凝土生产中的应用的批判性研究很少。纳米尺寸的颗粒具有比体积更大的表面积，具有巨大的化学活性潜力[。水泥的纳米工程和纳米改性代表了一个重要的领域，尽管就大规模生产和利用而言还处于萌芽阶段。

现有的研究数量有限，涉及纳米颗粒水泥的改性及其作为混凝土纳米粘合剂的显著效果。

纳米技术是另一个有前途的研究领域，当应用于建筑行业时，必将彻底改变材料和建筑技术 。此外，随着对优化材料资源实现和可持续发展方法的需求不断增加，纳米技术及其在提高水泥基复合材料性能方面的应用非常有必要。

最近的一些研究表明，使用纳米级水泥水化产物可以提高水泥基复合材料的强度，并且纳米粉煤灰已与水泥基体不同数量地结合，以整理和比较传统水泥基体的工程效果具有纳米添加剂的特性。这次的发现水泥基体性能显著改善。

结合不同材料的纳米级为开发新的水泥添加剂提供了途径，例如高效减水剂、纳米颗粒或纳米增强材料。

迄今为止，有关纳米颗粒的大部分工作都是使用纳米二氧化硅（纳米 SiO 2和纳米氧化钛（纳米 TiO 2））进行的。有一些关于掺入纳米铁（纳米 Fe 2 O）的研究。 3 ） 、纳米氧化铝（纳米Al 2 O 3 ）和纳米粘土颗粒。

纳米SiO 2在增强强度和其他工程性能方面比硅灰更有效。添加10%纳米SiO 2和分散剂可使水泥砂浆的抗压强度在28天内增加26%，而添加15%硅灰仅增加10%。在这项研究中，在实验室开发了纳米水泥和纳米硅粉，并着眼于它们的综合效应来确定强度参数。

纳米Al 2 O 3表现出弹性模量的显着增加，即在5％的用量下高达143％。然而，它对抗压强度的影响有限，并且没有其他显着变化的报道。

将各种有机分子（最好是纳米级的）插入到基本的 CSH 结构中的能力可以提供创造性操作的潜力。这是除了层状结构和硅酸盐链中存在结构缺陷的趋势之外的，例如 CSH 缺少桥接四面体。

从现有的研究来看，通过在“纳米尺度”上操纵“材料结构”，有可能开发出新型“多功能”、高效、性能增强的“水泥基复合材料”，使其适用于广泛的应用，例如“纳米颗粒”和“纳米级纤维”。

“传统混凝土”已被证明在使用“纳米粒子”增强后，其“孔隙结构”得到改善，可以更快地形成“C-S-H凝胶”，并且变得更坚固、更“柔韧”、更“耐用”。“纳米添加剂”和“纳米水泥”的增强特性已被证明可以增强“水泥基复合材料”的“强度”、“断裂特性”和“耐久性”。

因此，纳米技术研究人员近年来开始开发新型材料，因为需要使用它们来提高各种材料的特性，特别是建筑领域使用的材料的特性。先前的研究已经研究了含有纳米添加剂的普通水泥复合材料，而本研究的重点是将水泥转化为纳米水泥，然后将其他添加剂转化为纳米添加剂；然后，研究了它们的单独和组合效应。

因此，纳米水泥和纳米添加剂具有改变“水泥水化”、“压实度”和“触变行为”的纳米特性，有助于“水泥水化的改性”。有可能探索所有这些效应，使“混凝土”变得“更坚固”、“更环保”和“可行”。

除了提升“水泥基复合材料”的“力学性能”外，还可以利用“纳米材料”的“化学反应性”来修饰“形态”，从而优化“C-S-H凝胶结构”，提高“纳米机械性能”，已被证明具有很高的“耐久性增强能力”。

材料和实验方案

为了评估纳米改性对水泥基体的影响，生产了纳米级干磨和湿磨水泥，并将其用作水泥基体的添加剂来测试其强度。混合料中不同比例使用的其他建筑材料包括水泥、细骨料、粗骨料、硅灰、粉煤灰和丙酮。

使用标准岩相显微镜和扫描电子显微镜 (SEM) 对水泥、细骨料、硅灰和粉煤灰进行了研究。纳米水泥也在透射电子显微镜 (TEM) 和 SEM 下进行了探索。

最后，浇筑水泥混凝土块，并根据相关印度标准实践规范的建议测量其抗压强度。有必要评估水泥砂浆立方体的抗压强度，以确定水泥是否满足印度标准规范的要求以及是否能够生产具有所需抗压强度的混凝土。

混凝土因其承受压应力的能力而被用于建筑中。然而，在主要关注拉伸强度或剪切强度的情况下，压缩强度估计是水泥砂浆立方体最重要的性能。

借助球磨机（FRITSCH，德国）以两种方式将组成颗粒转化为纳米级，即通过干磨（图2）和湿磨（图3）。对所有组分均进行干磨，而仅对水泥进行湿磨。干磨通过颗粒对颗粒的冲击来减小尺寸，而湿磨则在液体中的固体研磨介质上粉碎颗粒，将原材料分散在浆料中，然后将其循环。

图2 球磨机内部视图

在供水充足的地区，承包商自然倾向于使用混凝土湿磨和抛光，因为它们早在干磨之前就已开发出来。在整个过程中，水主要用于防止金刚石工具过热并提供润滑以减少摩擦。

通常湿磨效率更高。这是因为物料混合时会发生充分的混合，从而能够将更均衡的饲料直接送至磨机。消除了这个危险，因为灰尘并不普遍。这使得工厂更加清洁。尽管由于高度稀释而需要增稠剂，但可以对窑炉进料进行更有效的分类。

在有低成本燃料的情况下，采用效率较低的干磨方法成本较低，因为煅烧过程中所需的额外热量可以排出水。

图3 水泥湿磨内视图

由于更好的空气分离器和除尘器的发展，其中一些问题已被最小化到与当今的成本几乎相同的程度。

丙酮用于水泥的湿磨。所有转化材料在转化前后均在扫描电子显微镜 (SEM) 下进行研究，以确定水泥、粉煤灰和硅粉颗粒的形态特性，结果见图4。对普通水泥、干磨水泥和湿磨水泥也进行了透射电子显微镜观察，结果显示在图5。

图4

许多分析附件，包括多个 EDS、EBSD（与 EDS 共面）、WDS、CL、STEM、加热/冷却子台等，可以通过端口小心地轻松安装到 SEM (Jeol 700SM) 大型样品室上位于仪器上。与 SEM 类似，TEM 是一种用于电子光谱成像的仪器。TEM 能够执行分析测量，并且具有比 SEM 更高的空间分辨率。

图5

水泥基体抗压强度试验

为了研究材料的性能和混合，在实验室铸造了 70.06 毫米尺寸的立方体（图6）。总共铸造了 176 个水泥立方体样品，并为它们分配了特定的名称。工作计划的详细信息载于表6。立方体的构成材料是水泥、细骨料和饮用水。

图6 振动台上模具中的混凝土试样

水泥与细骨料的重量比取1：3。水灰比保持在0.45。材料基体的比例包括固定的砂比例，即 3，以及五种材料（即纳米水泥、硅粉、纳米硅粉、纳米硅粉、纳米水泥）中水泥含量的变化，形成水泥混合物的二元、三元和四元混合物。

水泥和纳米水泥的分数变化分别为0.1、0.45、0.5和1，而硅粉、纳米硅粉、粉煤灰和纳米粉煤灰的份额保持固定，即仅0.1。铸造样品后，将立方体在指定的 7、14 和 28 天的时间内固化。

水泥浆立方体的抗压强度为表7。可以观察到，包含纳米颗粒的水泥基体立方体在 7、14 和 28 天后表现出出色的强度。因此，材料系统的预期用途值得信赖。

结论

实验研究得出以下结论： 纳米添加剂的使用改善了水泥基体和混凝土的特性。由于纳米颗粒填充了水泥颗粒之间的间隙并消耗了部分存在的氢氧化钙，因此额外产生的水合硅酸钙 (CSH) 导致界面结构的改善超过了之前所实现的水平。

强度的增加可归因于水泥的细度，水泥的细度使得水泥与水接触的表面积更大，形成更致密的微结构，限制了孔隙的数量和尺寸，从而提高了强度。

纳米湿磨水泥和细骨料的性能与纳米干磨水泥相当。因此，在岩相显微镜放大倍数下无法检测到任何区别。通过透射电子显微镜，可以根据指间晶格的生长来区分两者。

含有纳米水泥、纳米硅粉和纳米粉煤灰的基体获得了最大的强度，并且在固化7-28天后，水泥基复合材料的抗压强度得到了显着改善。

所有使用纳米级干水泥、硅粉和粉煤灰以各种排列和组合的不同混合物提供的强度值范围为 26.75 至 35.20 MPa，高于典型水泥-细骨料混合物的强度值。

普通水泥和湿磨水泥 50:50 的组合在 28 天后产生的抗压强度为 37.20 MPa。当使用湿磨纳米水泥（40 MPa）的立方体样本与使用传统水泥的立方体样本进行比较时，发现增加了高达 92%（20.88 MPa）。

三个抗压强度读数之间存在很强的相关性，并建立线性方程来计算第28天的抗压强度。组和研磨类别的三个强度值之间存在显着差异。