纳米SiO_2对水泥粉煤灰体系水化硬化作用研究

【摘要】：在水泥混凝土中掺加粉煤灰是配制现代水泥混凝土最常见的技术措施之一，也是减小粉煤灰环境负荷、提高混凝土绿色化程度及性能的重要手段。但材料早期性能发展缓慢是制约粉煤灰混凝土发展最重要的因素之一，因此研究如何提高水泥粉煤灰体系早期性能是人们重点关注的问题之一。研究发现在水泥混凝土中掺加少量纳米SiO_2可显著提高材料诸多方面性能，特别是材料早期力学性能，因此将其用于对早期性能发展缓慢的水泥粉煤灰体系的改性逐渐进入人们的研究视野。一些研究结果显示，纳米SiO_2对提高水泥粉煤灰体系早期强度有一定优势，但其对后期力学性能影响的研究存有一定争议，这主要与对纳米SiO_2在水泥粉煤灰体系中发挥作用的研究，特别是后期作用的研究较缺乏有关。 为系统分析纳米SiO_2在促进水泥粉煤灰胶凝材料体系早期性能发展方面的作用优势，并厘清其对材料后期性能影响的规律，本文对掺溶胶态纳米SiO_2的水泥粉煤灰体系早期和后期性能发展规律进行试验研究，并对纳米SiO_2影响体系性能发展的作用机理进行分析。在上述研究的基础上，论文探讨了水泥粉煤灰体系的纳米改性方法，以期研究结果对水泥粉煤灰体系的纳米改性研究有一定参考价值。 论文首先对掺纳米SiO_2的水泥粉煤灰净浆和砂浆的工作性、凝结硬化及力学性能进行研究发现，纳米SiO_2显著降低拌合物工作性，但粉煤灰优异的颗粒特性有助于削弱这种不利影响。纳米SiO_2对材料凝结硬化的促进作用较大程度上缓解了掺粉煤灰胶凝材料体系早期性能发展不足的缺陷：掺量为5%的纳米SiO_2显著提高材料凝结硬化、早期抗压强度等性能，且粉煤灰掺量越高，强度提高幅度越大。但水化后期，掺纳米SiO_2的水泥粉煤灰砂浆强度增长缓慢，3个月后砂浆抗压强度与未掺纳米SiO_2试件相等或较低。水泥粉煤灰体系掺入纳米SiO_2后，强度发展受自干燥影响程度加大。 然后，论文在分析纳米SiO_2的火山灰反应特性及其对水泥水化机理影响的基础上探讨了其对水泥粉煤灰体系反应早期和后期水化硬化的影响。化学分析和形貌研究结果显示，纳米SiO_2按一级化学反应模式水化生成凝胶，并提供为水泥水化产物生长的晶核；采用量热精度更高的等温差示扫描量热技术，并结合水泥溶液离子浓度测试、水化产物形貌分析等手段对纳米SiO_2影响水泥水化的机理的研究显示，纳米SiO_2通过促进水泥水化半透膜破裂和水泥溶解来促进水泥的水化。形貌、孔结构及水泥、粉煤灰反应程度测试结果显示，纳米SiO_2水化产物结构致密，有利于材料早期结构的密实，但这些致密的水化产物与水泥早期加速水化生成的凝胶紧密包裹于未水化水泥、粉煤灰表面，阻碍水泥、粉煤灰进一步水化以及结构进一步密实。纳米SiO_2火山灰反应提供的水化凝胶有利于提高材料早期性能，但火山灰反应对水泥粉煤灰体系中Ca(OH)_2的大量消耗显著降低体系中粉煤灰的合理掺量。 论文最后针对水泥粉煤灰体系纳米SiO_2改性的不足，探讨了该体系的纳米改性方法。通过对材料细度的匹配可更好地发挥纳米SiO_2对水泥粉煤灰体系的积极作用：颗粒相对较粗的纳米SiO_2对砂浆后期强度发展的负面影响较小，而纳米SiO_2在较细水泥体系中对孔隙的密实作用更大；实验室化学合成的纳米Ca(OH)_2对水泥粉煤灰体系改性的研究显示，纳米Ca(OH)_2对体系早期和后期性能发展均有积极作用。