纳米MgO对高性能水泥浆体和砂浆凝结时间、自收缩、显微结构和力学性能的影响外文翻译资料

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纳米MgO对高性能水泥浆体和砂浆凝结时间、自收缩、显微结构和力学性能的影响

Rıza Polat , Ramazan Demirbog˘a , Fatma Karagouml;l

亮点：

纳米MgO随着时间的推移改善了胶凝材料的性能。

纳米MgO增加了砂浆的水化热和抗压强度

随着纳米氧化镁含量的增加，自收缩率降低。

纳米MgO对砂浆显微结构的影响。

摘要:许多研究都针对微尺度MgO的应用，以减少水泥基材料的自收缩。然而，纳米MgO对高性能水泥基材料的力学性能、耐久性和微观结构性能的影响知之甚少。本文对纳米氧化镁水泥浆体和砂浆的性能进行了试验研究。纳米MgO的掺量在砂浆和水泥净浆中为胶凝材料的2.5%、5%和7.5%。在今年净浆中进行凝结时间和体积自收缩试验，在砂浆中进行水化热、7天和28天抗压强度、超声波脉冲速度（UPV）和28天线性自收缩试验。此外，还利用扫描电子显微镜（SEM）观察了纳米MgO对微观结构的影响。结果表明，纳米MgO对水泥浆体和砂浆的新拌和硬化性能有显著影响。通常，纳米MgO提高了抗压强度（约8%）。纳米MgO随着掺量的增加降低了自收缩和凝固时间。浆体的最终水化热和纳米MgO几乎相同。纳米MgO可作为膨胀添加剂使用。

关键词：纳米MgO、自收缩、抗压强度、凝结时间、水化热

1. 引言

纳米材料在水泥复合材料中的应用是近年来世界上最常用的建筑材料。水泥基复合材料的物理力学性能取决于组分的性质和微纳米级的物理化学变化。由水泥与水的反应而形成的CSH凝胶是一种天然的纳米结构材料。因此，纳米技术可以改变分子结构，改善混凝土的体积性能，并允许开发廉价、高强度和耐用的水泥基材料产品。一般而言，纳米材料改善了水泥基复合材料的基本性能，如强度、耐久性、物理、微观结构。

纳米粒子，直径小于100纳米的颗粒，通常显示出与那些具有较大尺寸的相同产品显示的完全不同的电、物理、机械或化学性质。具有不同化学性能的纳米材料已用于水泥浆体和砂浆的生产，改善了水泥基复合材料的力学性能、物理性能、化学性能和耐久性能。纳米粒子在胶凝材料中的包裹体可以是球形材料（如纳米SiO₂、纳米Cu₂O₃、纳米TiO2、纳米Ca₂O₃、纳米Fe₂O₃、纳米CuO、纳米Fe₃O₄、纳米ZnO₂、纳米ZrO₂、纳米ZnO等）或作为纳米管或纤维（例如碳纳米管和碳纳米纤维）或纳米粘土。在相关文献中，许多研究表明，即使在小剂量下，纳米SiO₂也能发展水泥复合材料的力学性能，且微观结构变得更加紧密。Morsy等表明了纳米偏高岭土和碳纳米管的单掺和复掺相比原砂浆增加了抗压强度。Fan等指出适当煅烧的纳米高岭石粘土可以改善水泥基砂浆在偏酸环境下的强度。在单独的研究中，Farzadnia等人发现在砂浆中掺入3%的纳米粘土，样品的抗压强度提高了24%。纳米粘土颗粒改善水泥复合材料的性能，表现出与水泥的火山灰反应和微填充效应。Noorvand、Nazari和Riahi等人发现纳米TiO2在硬化水泥基复合材料上的功能的研究只有一点点。一般纳米粒子的广泛研究功能之一是其在水泥浆中的成核作用。Farzadnia等人表明纳米二氧化钛和纳米氧化铝在砂浆混合物中的应用提高砂浆的力学性能和吸能性能。纳米CaCO₃颗粒为水化产物的成核提供了一个合适的环境，最终改善了水化反应，并作为纳米填料处理，从而发展了水泥基复合材料的力学性能。除此之外，Nazari、Riahi 和Nazari的实验表明纳米ZnO2和纳米TiO2粉体改善了混凝土的力学和物理性能。关于纳米材料的研究越来越多。

另一方面，高性能水泥基复合材料由于其相比普通水泥基复合材料更好的耐久性、力学性能、物理性能和其它性能而不断被推广。然而，具有极低的W/C比的高性能水泥基复合材料易发生自收缩甚至断裂（裂纹）。这些裂缝破坏了混凝土的性能，并且已经做了大量研究来减少它们，有轻骨料、纤维、回收骨料的内部固化和膨胀反应。在他们的研究中，自体收缩减少，但强度也同时降低。高性能水泥基复合材料的裂纹的形成是在纳米尺度的，对高性能水泥基复合材料的耐久性有很大的影响，可以通过掺入纳米材料来控制。

多年来，MgO基膨胀剂作为减收缩剂被人们发现和使用。MgO与水反应，水化生成Mg(OH)₂，由于MgO（3.58 g/cm³）和Mg(OH)₂（2.36 g/cm³）的密度差异，当MgO转变为Mg(OH)₂时，体积增加了一倍以上。已经有许多研究关于轻烧和死烧氧化镁的水化和膨胀。微米级MgO通常降低了自收缩，但另一方面，也降低了强度。粒径和煅烧温度影响MgO膨胀剂的水化程度。煅烧温度越低，粒径越小，MgO膨胀剂的水化率越高。随着MgO膨胀剂煅烧温度的升高，水泥浆体的膨胀率降低。当硬化时间变长，后期膨胀时间会延长。最佳煅烧制度为1000℃处理1 h，粒径为45～150mu;m。因此，应仔细研究纳米MgO高性能水泥复合材料的力学性能和耐久性能。

Moradpour、Polat、Ye、 Kahidan和Hou等人对含纳米MgO的砂浆性能进行了实验研究。Moradpour等人说明了掺加纳米MgO颗粒可以提高强度，纳米MgO作为填料来增强水泥复合材料的内部结构。Ye等人表示纳米MgO在水泥基材料中不破坏湿养时的力学性能和后期强度，纳米MgO可作为水泥材料的膨胀剂。Polat等人通过实验表明，在相同配比下，纳米MgO的自收缩比MgO小。Kahidan 指出纳米MgO作为标准品的水化率较低。Gao等人研究了纳米MgO对水泥浆的影响，研究了不同含量的纳米MgO（0%、1%、2%、3%、4%、5%、6%）对纳米水泥浆的影响，并指出纳米MgO提高了粘土的强度和稳定性，增加了胶结和孔隙填充。Yuan等人研究了纳米MgO对铝酸盐水泥制备的蓄热材料性能的影响，用1%纳米氧化镁制备的样品的抗压强度比纯水泥制得的样品高30.5%。Hou等人研究了超细MgO对水泥基材料的水化反应的影响，并发现超细氧化镁使初凝时间和终凝时间缩短了，掺加超细MgO的试样早期强度提高但后期强度降低。而且MgO对水泥水化的影响因为水胶比而差异巨大。

表1.PC和SF的性能

正如文献中所见，Moradpour、Ye等人研究了0.50水胶比的砂浆的强度和掺加少量纳米氧化镁使强度增加。MgO膨胀剂用于高强度（性能）、低水胶比（低于0.42）、产生微纳米裂纹的砂浆/混凝土中。Mo等人表明MgO基添加剂可能更适合于低渗透性和外部水养护不足的混凝土。因此，研究纳米MgO在低水胶比水泥基复合材料中的作用是非常重要的。除了强度和膨胀性能外，还需要研究纳米MgO对胶凝材料性能的影响。

本研究旨在探讨纳米MgO对高性能水泥基复合材料性能、微观结构、耐久性和力学性能的影响。为此，研究了纳米MgO作为添加剂对高强度砂浆和浆体耐久性和力学性能的影响。将2.5%、5%和7.5%的纳米MgO作为水泥替代物添加到高强度砂浆和浆中。还得到了砂浆的抗压强度、线性自收缩、UPV、SEM和净浆的凝结时间与体积自收缩。

1. 实验工作
   1. 材料

使用ASTM C150/C150M的普通波特兰水泥(PC)(Ⅰ～42.5 MPa)，用水泥代替7%硅灰（SF），根据ASTM C33/C33M，具有最大粒径为4 mm的天然河砂。水灰比为0.3的净浆掺0.5%的萘磺酸盐碱高效减水剂（SP），水灰比为0.3 的水泥砂浆掺2%的萘磺酸盐碱高效减水剂(SP)。纳米MgO的量为胶凝材料的0%、2.5%、5%和7.5%。纳米MgO的性能和XRD结果分别在表2和图1中。纳米氧化镁的XRD峰宽显示了颗粒的纳米晶，并且XRD的三个峰匹配纯氧化镁。使用具有两种不同粒径（0～2mm和2～4 mm）的集料（在混合料中，70%的集料被控制了粒度，以便通过2 mm筛）。0～2mm和2～4 mm的颗粒的比重分别为2.56和2.60。

2.2净浆和砂浆的制备

净浆和砂浆根据ASTM C305混合。水泥浆体的胶凝材料与水的比例为1∶0.30。首先将纳米MgO和粉末材料（水泥和硅粉）干燥混合7分钟以分散纳米颗粒。然后加入水和高效减水剂，混合搅拌5分钟。净浆配合比在表3 中。砂浆的胶砂比和水胶比分别为1∶2.75和0.30。包含0、2.5%、5%和7.5%纳米MgO的四组样品成型5 cmtimes;5 cmtimes;5 cm立方体，测试其抗压强度和UPV；成型

表2.纳米氧化镁的性能

10 cmtimes;10 cmtimes;40 cm矩形试样进行线性自收缩试验。根据ASTM C 511，将抗压强度的试样放在饱和石灰水中进行脱模和硫化，将自收缩试样保存在室温20℃和65%相对湿度的环境中。砂浆的配合比见表4。根据TSE 196-9，水化热是混杂的，并在表5中给出砂浆的配比。

2.3实验

根据ASTM C191，用维卡仪测定初凝和终凝时间。

通过监测包含在弹性膜中并浸入浮力液体（蒸馏水）中的水泥浆样品的重量，进行体积自应变测量。在23plusmn;0.2°C的气候室中进行体积实验，在文献中详述了该方法的细节。从浇注后的初始凝固时间到约48 h，通过控制软件，每隔1分钟自动测量和记录膏体样品的浸入重量。

用TSN 196-9定义的Langavant热量计测定含有纳米氧化镁的砂浆的水化热。半绝热法是基于确定新拌砂浆样品的放置来确定水泥和水之间的温升反应所产生的热量。试验在完美的20plusmn;2°C的气候调节室进行。在2天（48小时）时进行测量。

根据ASTM C 597和ASTM C 109/C109M分别进行砂浆的UPV和抗压强度试验。压缩试验采用50times;50times;50立方毫

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