新型混凝土表面防护材料的研究外文翻译资料

 2022-10-28 14:59:26

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纳米二氧化硅在水泥材料中的功用

重要提示：

纳米二氧化硅在提升高性能混凝土耐久性方面有着潜力。

随着纳米二氧化硅的掺入，生态混凝土低强、缓凝方面的性能得到改善。

通过添加纳米二氧化硅，钙溶出得到了很好的控制。

摘要：纳米二氧化硅由于其智能功能和可持续的发展前景在增强材料性能方面得到展示，目前在建筑材料方面正获得广泛的关注。在过去的十年间，一系列的纳米材料得到研究，例如纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、碳纳米管、纳米氧化铝等，其中应用最广泛的是纳米二氧化硅。大量关于纳米二氧化硅在胶凝材料中应用文献的出现，主要是因为混凝土仍然是最复杂的材料并且其水化机理仍然没有得到完全的解释。因此，研究者关注于这种材料在纳米/原子水平上的基础研究。再者，研究人员不断提高混凝土的耐久性能，他们也认识到纳米二氧化硅的掺入对胶凝材料机械性能的显著提升。这篇综述文献概括总结了纳米二氧化硅的加入对混凝土水化动力学，显微结构，新拌/硬化性能以及耐久性等性能的影响。

  1. 引言

混凝由于其可塑性强，原材料易获得，高强度，价格低廉等出色的特点依然是建筑工程师的选择，尽管在环境方面有些非议。混凝土每年的产量约200亿吨。全球每年约百分之八的二氧化碳排放量是由于生产混凝土所需水泥造成的，因此，这是一个环保主义者所关注的一件事。混凝土是一种包含从毫米到纳米的广泛尺度范围的复合材料。通常，混凝土被当做一种考虑其体积强度及其他一些机械性能的材料，但是在微型及纳米水平上，其包含许多具有不同性质的组分。

体积性质和显微结构有着一定的联系，研究者正努力在混凝土方面建立这种联系。现代建筑行业一直致力于发展新型先进胶凝材料。水泥基材料性能的提升包括材料合理的使用，发展耐久性更强的混凝土以减少维护费用和生命周期成本。对于水泥基材料性能的提升主要有两个途径：一种是找到合适的替代材料去取代一些胶凝材料，比如地聚合物，另一种是通过加入掺合料调整其性能。

纳米技术是一种新兴的技术，对于科学技术的各个领域都有着影响。许多研究人员对于纳米技术有着定义。Drexler将其定义为“通过分子控制技术控制产品和副产品，来控制材料的结构”。一些研究者定义为“在毫微米水平上（低于100nm）理解，控制和生产材料，以创造出全新性质和功能的材料”。对于建筑行业，纳米技术可被定义为：在纳米级尺寸上控制材料性质从而能革命性的改变材料整体性能的一种技术。

纳米二氧化硅等一系列超细添加物在胶凝材料中应用的主要目的是提升可塑和硬化材料的性能。微型纳米级的二氧化硅颗粒通过填充水泥颗粒间的空隙，具有填充效应。通过正确的组成，其较高的堆积密度会使得拌合用水的量降低，同时由于毛细孔的减少，对于强度的增长也有作用。除了这种物理因素的影响，纳米二氧化硅还拥有比硅灰更高的火山灰活性。这些因素在发展超高性能混凝土方面都十分的重要。

掺有纳米二氧化硅水泥的水化可能有两种反应机理。通过加入纳米二氧化硅可以加速水泥的水化进程。当纳米二氧化硅被加入到水泥颗粒中去，H2SiO42-形成并和可用的钙离子发生反应，并形成一些额外的C-S-H凝胶，这些C-S-H凝胶在水泥颗粒间的水中分散，作为晶核以形成结构更加致密的C-S-H凝胶。这些C-S-H凝胶的形成不在仅仅局限于纯的C3S颗粒的表面，但也发生在空隙空间。正是由于大量晶核的形成，造成了水泥早期水化的加速。

1.1成核反应

再者，在水泥水化时产生的氢氧化钙与火山灰性的纳米二氧化硅反应生成额外的C-S-H凝胶，是胶凝材料硬化期间强度和密度发展的一种重要成分。与此同时，对于强度发展几乎无贡献的二氧化钙被消耗。

1.2火山灰反应

nano-SiO2 H2O→H2SiO42-

Ca(OH)2 H2O→Ca2 OH-

H2SiO42- Ca2 →C-S-H（过量的C-S-H凝胶）

使用纳米技术作为一种研究工具，在混凝土方面的研究可以按照以下方式分类。

  1. 在原子/纳米级水平上了解水泥水化及其产物以及他们的特性。
  2. 通过对掺有纳米材料混凝土的调整来增强其性能。

第一种途径是对基本机制的探索，他包括一些实验仪器的相关技术，比如：显微镜、X射线、以及一些其他的光谱特征。后者是应用合适的纳米结构材料的一种混凝土纳米工程技术，主要包括显微组织细化。本文综述了纳米技术在提高胶凝材料性能方面的应用的一些相关信息。

  1. 纳米材料和水泥基复合材料

在建筑业，关于提升不同建筑材料性能的广泛研究正在进行，发展耐久和可持续的混凝土就是研究的方向之一。除了纳米二氧化硅，在纳米尺寸应用的材料有纳米二氧化钛、纳米氧化铁、纳米氧化铝、碳纳米管和碳纤维管。纳米二氧化钛已被发现拥有自清洁特性，实施光催化降解机制。它能分解NOX，一氧化碳，氯酚等来自不同污染源的环境污染物。意大利的罗马千禧教堂就是自清洁混凝土建筑的一个例子。纳米氧化铁能增加抗弯强度以及提供自感应能力。水泥砂浆的导电率也随着纳米氧化铁的加入而发生改变。这在实时监测建筑安全状况中或许有帮助。纳米氧化铝能极大改善弹性模量，但是在抗压强度方面作用不大。碳纳米管和碳纤维管已经被不同的研究人员做了广泛的研究，并被报道出能增加弹性模量且有着极大的抗拉强度。随着碳纳米管和碳纤维管的加入，能减少混合物的电阻。

  1. 纳米二氧化硅在水泥基材料中的影响

所有的纳米材料中，纳米二氧化硅在提升水泥混凝土性质方面的应用是最广泛的，因为其具有火山灰活性以及能填充空隙的功用。由于基础设施的快速发展，发展高强度、耐久、可持续、环境友好型的水泥基复合材料是必要的。纳米二氧化硅在水泥混凝土中的应用或多或少的能满足上述的性能。

3.1纳米二氧化硅水泥砂浆和净浆

掺有纳米二氧化硅的水泥净浆被用于研究水泥的水化过程与微观组织演变。基本上，这种方法是用来研究水泥水化的基本科学。掺有纳米二氧化硅的水泥砂浆是仅次于水泥净浆研究的很广泛的物质材料。砂浆的研究用来探索流变学和力学性能。

3.1.1水化和纤维结构

纳米颗粒加入到水泥砂浆中如果能分散均匀，即使很少的量也能使其具有密集的微观结构，但是如果纳米颗粒不能分散均匀，可能会导致空隙和薄弱区的形成。水泥浆中加入纳米二氧化硅在初始阶段能加速水泥的水化进程，加快氢氧化钙的形成。这是因为水化速率取决于纳米二氧化硅颗粒所增加的表面积。纳米二氧化硅颗粒作为晶核加速水化进程。由于较高的表面积，高反应速率的水化热速率也比较高。据此能推断出，可能存在一个最佳的表面积，在这个表面积下，热值峰将会发生变化。通过增加二氧化硅纳米颗粒的含量，水泥净浆和砂浆的凝结时间将会缩减。Singh提到掺有百分之五纳米二氧化硅的水泥浆与不加入纳米二氧化硅的水泥浆相比，抗压强度在1天时高了百分之64，在28天时提高了百分之三十五。掺有纳米二氧化硅的水泥浆，凝结时间缩短，休眠期和诱导期的水化时间缩短，达到水化热峰值的时间减少并且早期氢氧化钙的产量增加。随着纳米二氧化硅的掺入，观察到C3S的溶出加速。拥有少量氢氧化钙晶体的致密紧凑的显微结构被观察到，并且放热量比普通的波特兰水泥高很多。图4A展示了有更多针状硫铝酸钙的普通波特兰水泥的扫描电镜照片。图4B展示了加入纳米二氧化硅的水泥的扫描电镜照片，显微结构明显致密和紧凑，并且氢氧化钙晶体的形成较少。有百分之五纳米二氧化硅加入的水泥样品中有大量尺寸在1.2微米的C-S-H晶体，而有百分之一纳米二氧化硅加入的水泥样品中C-S-H晶体的尺寸在600nm。通过纳米压痕技术的研究可以发现，纳米二氧化硅的加入能够显著改善低刚度和高刚度C-S-H凝胶的比例。图5展示了用准绝热量热计所测得的普通硅酸盐水泥和加入纳米二氧化硅水泥的不同的水化放热量。纳米二氧化硅的加入能增加水泥浆中C-S-H和C-A-H的量。同时也发现，基于纳米二氧化硅的碱活化粉煤灰胶在降低孔隙度和微观结构致密方面有着不错的表现。

3.1.2新拌混凝土性能

在水泥净浆和砂浆中加入纳米二氧化硅需要更多的水以保持它的工作性。除此之外，伴随着纳米二氧化硅的加入，新拌混凝土的流动性会降低，凝聚力增强，同时屈服应力也增强。为了避免在混凝土的工作性上产生副作用，Berra建议

延迟加水，不是一次性加入所有的拌合水，保持一定量的水，在稍后加入。纳米二氧化硅的加入会使粘度塑性和抗压强度得到增加。随着纳米二氧化硅和纳米二氧化钛在水泥砂浆中的加入，砂浆的扭矩、塑性粘度和屈服应力都有所增加。

3.1.3力学性能

在有纳米二氧化硅加入的水泥中，氢氧化钙通过火山灰反应形成C-S-H凝胶的反应比在单纯的火山灰性水泥中反应快得多。它会导致抗压强度和抗弯强度的增加。Jo指出，在水灰比为0.23的情况下，百分之六的纳米二氧化硅掺量会带来最优的效果。同时，这些研究人员也建议控制水的用量以及高效减水剂，否者高产量的纳米二氧化硅会降低强度而不是提高强度。通过纳米压痕技术，可以观察到，纳米二氧化硅的加入可以提高弹性模量和硬度。加入水泥重量0.5%-2%的纳米二氧化硅，可以使水泥净浆的强度提高20%-25%。掺量超过2%，会有强度的降低。在粉煤灰水泥中，纳米二氧化硅的加入提高早期强度。纳米二氧化硅的加入会使污泥灰水泥砂浆的整体性能得到提升，尤其是初凝时间以及早期强度。纳米二氧化硅同时也能应用于超细粉水泥中，超细粉水泥的性能会随着纳米二氧化硅的加入而提升。在水泥砂浆中加入水泥重量0.25%的纳米二氧化硅，抗压强度在1天龄期和28天龄期分别增加了63.9MPa和95.9MPa。

3.1.4热行为

纳米二氧化硅的加入会显著提升凝胶体系的热稳定性。与加入硅灰的水泥样品相比，加入纳米二氧化硅的水泥样品在被暴露在500℃的温度后，强度的损失比较小。掺有大量粉煤灰的水泥砂浆在被暴露在700℃的温度后，有较高的残留强度，C-S-H凝胶脱水产生硅酸钙，硅酸钙作为一种新的结合材料保持残留的强度。尽管纳米二氧化硅的加入使得水泥砂浆和净浆的性能得到提升，但是有纳米二氧化硅加入的混凝土在高温下的性能仍需研究。

3.1.5钙溶出

纳米二氧化硅的加入改善了水泥浆体的孔隙率并提高硅酸盐链的平均链长。纳米二氧化硅通过消耗钙降低了钙溶出率，因为氢氧化钙是最容易浸出的。孔隙率的降低使得降解率也降低。Singh曾指出，有纳米二氧化硅掺入水泥在水化过程中，CH的含量在1天时降低86%，在28天是降低62%。硅酸盐链长度的增加同时也有利于提升抗化学攻击性和钙稳定性。纳米二氧化硅的加入同时也能修改C-S-H凝胶的内部结构。

3.2掺入纳米二氧化硅的混凝土

纳米SiO2掺入水泥混凝土是纳米材料直接应用的一种方法。研究有纳米材料加入时材料整体的性能是这种方法的核心，而不是研究基本机制去调整理想的性能。下面讨论一些研究人员对于有纳米二氧化硅加入的混凝土的力学性能和渗透性能的研究。

3.2.1水化与微观结构

纳米SiO2的掺入使混凝土的结构致密和紧凑。如同在研究水泥砂浆和净浆中发现的那样，在有纳米二氧化硅加入的混凝土中，水化速率加快并且在15小时内的放热峰发生转移。此外，通过热重分析，氢氧化钙的消耗量也有显著的增加。纳米二氧化硅的掺量达到3%，火山灰活性的反应变得更快。然而，当纳米SiO2含量从3%增加到6%，氢氧化钙消耗量并没有得到任何的提升。尽管如此，纳米二氧化硅的加入会使界面过渡区域形成一些密度较小的氢氧化钙晶体。

3.2.2力学性能

有纳米二氧化硅加入的水泥混凝土与正常的混凝土相比，抗压强度会得到显著提升。同时，混凝土的抗拉强度和抗弯强度也会增加。Riahi和Nazari指出，将纳米二氧化硅加入到混凝土中会提升混凝土的耐磨性和抗压强度。他们同时指出，水泥重量1%的纳米二氧化硅是水固化的最佳量，2%是石灰固化的最佳量。然而，在纳米二氧化硅改性的混凝土中，随着W/B的增加，混凝土的耐磨性会降低。

3.2.3耐久性能

对纳米二氧化硅混凝土渗透性能的研究发现，于普通混凝土相比，纳米二氧化硅混凝土的水吸收，毛细吸收，水吸收效率以及水吸收和渗透的协同效率均有所降低。对含有纳米颗粒的道路混凝土的孔结构和渗透性研究发现，其孔结构细小，并且渗透率有所降低。并且纳米颗粒的加入会明显降低氯离子的渗透性。据观察，氯离子扩散系数与混凝土抗压强度之间的关系接近双曲线。随着混凝土抗压强度的增加，抗氯离子渗透的能力也增加。纳米二氧化硅混凝土在快速氯离子渗透试验中表现出相当小的电荷传递和物理渗透。通过压汞法所测量的总孔隙度和孔径值均明显降低。这种趋势在纳米二氧化硅产量达到6%时被观察到。Najigivi从他所做的纳米二氧化硅尺寸对混凝土机械性能影响的试验中得出结论，15nm的颗粒能够增强早期强度而80nm的硅颗粒只能在稍后的龄期提升强度。这是因为15nm的硅颗粒表面活性比80nm硅颗粒的表面活性高，在初始阶段的水化速率较快。

3.3掺入纳米二氧化硅的自密实混凝土

将纳米二氧化硅加入到自密实混凝土中，随着配合的提高能减少离析和泌水现象。当自密实混凝土中加入纳米二氧化硅后

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