納米材料改性水泥的抗折強(qiáng)度時(shí)間效應(yīng)特性

徐婷 徐菁菁

摘 要：為了研究納米材料對(duì)水泥力學(xué)性能的改性效果，對(duì)三種納米材料改性水泥的抗折強(qiáng)度進(jìn)行了討論。提出了“抗折強(qiáng)度提高百分比”和“抗折強(qiáng)度比”的概念。數(shù)據(jù)分析表明，納米材料能夠有效提高水泥的抗折強(qiáng)度，其該抗折強(qiáng)度有明顯的時(shí)間效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：水泥；抗折強(qiáng)度；齡期；納米材料

引言

水泥作為粉狀水硬性膠凝材料，是重要的建筑材料，廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中，所以提高水泥力學(xué)性能對(duì)建筑工程的發(fā)展具有十分重要的意義。納米材料有許多與傳統(tǒng)材料不同的物理、化學(xué)性質(zhì)。張世義[1]、徐子芳[2]、熊國(guó)宣[3]等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示納米改性水泥具有優(yōu)異的力學(xué)性能，所以研究納米改性水泥的力學(xué)性能必將對(duì)建材領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

文章在諸多研究資料統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別列出了納米黏土改性水泥、納米SiO2改性水泥和納米TiO2改性水泥等三種改性水泥在不同齡期不同摻量下的抗折強(qiáng)度。并從齡期和摻量?jī)煞矫姹容^了納米復(fù)合水泥、納米SiO2水泥和納米TiO2水泥等三種納米水泥的抗折強(qiáng)度比，分析了納米材料對(duì)水泥強(qiáng)度特性的影響。

1 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

1.1 納米黏土改性水泥的抗折強(qiáng)度

張世義[1]等人針對(duì)納米黏土改性水泥進(jìn)行了的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。該試驗(yàn)中，水灰比為0.5，試樣均為40mm*40mm*160mm的立方體。納米黏土的摻量分別為0%、1.0%、3.0%和5.0%。養(yǎng)護(hù)齡期分別為1d、3d、7d、14d、28d和90d。實(shí)測(cè)各試件的抗折強(qiáng)度見(jiàn)表1。

表1 納米復(fù)合水泥抗折強(qiáng)度/MPa

在分析數(shù)據(jù)時(shí)可得，各個(gè)摻量下，納米黏土改性水泥的抗折強(qiáng)度都比同一齡期的基準(zhǔn)水泥（納米材料摻量為0的水泥）的抗折強(qiáng)度高。在同一齡期下，納米黏土摻量越大，水泥的抗折強(qiáng)度越高。

為了進(jìn)一步研究納米材料對(duì)水泥抗折強(qiáng)度的影響，有必要進(jìn)一步討論各個(gè)齡期、各摻量的納米黏土改性水泥的抗折強(qiáng)度的提高百分比，其定義如下式：

（1）

式中：i代表納米黏土摻量的向量；j代表齡期向量。例如，f2，3表示第2個(gè)摻量、第3個(gè)齡期對(duì)應(yīng)的水泥試樣抗折強(qiáng)度，即納米黏土摻量為1%、齡期為7d時(shí)的水泥試樣的抗折強(qiáng)度。根據(jù)公式（1），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 納米粘土改性水泥抗折強(qiáng)度的提高百分比/%

由圖1可知：（1）齡期為1d的納米水泥抗折強(qiáng)度提高百分比最大，齡期為7d的納米水泥抗折強(qiáng)度提高百分比相對(duì)較小；（2）當(dāng)摻量為5%時(shí)，齡期為14d、28d、90d的納米水泥抗折強(qiáng)度提高百分比都為26%；（3）納米黏土摻量為5%的水泥抗折強(qiáng)度提高的百分比最高，在各個(gè)齡期的數(shù)值分別為36%、27%、11%、26%、26%、26%；（4）納米黏土改性水泥抗折強(qiáng)度的提高百分比與納米黏土摻量成非線性增長(zhǎng)關(guān)系。

1.2 納米SiO2水泥的抗折強(qiáng)度

為了探究和比較納米SiO2改性水泥和普通硅酸鹽水泥抗折強(qiáng)度的大小，諸多學(xué)者進(jìn)行了研究。徐子芳等人[2]測(cè)定了3d、7d、28d齡期，納米SiO2摻量為1%、2%、3%、4%、5%的水泥抗折強(qiáng)度。測(cè)得3d齡期各摻量對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度為（3.7，5.5，6.3，6.9，6.0，5.9）MPa；7d齡期各摻量對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度為（5.1，5.2，5.5，7.8，7.3，7.1）MPa；28d齡期各摻量對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度為（7.0，8.8，8.9，10.2，9.6，9.2）MPa。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：（1）各個(gè)齡期摻量不同的納米SiO2改性水泥的抗折強(qiáng)度都比基準(zhǔn)水泥的抗折強(qiáng)度高；（2）摻量不大于3%時(shí)，摻量越大，各個(gè)齡期納米SiO2改性水泥的抗折強(qiáng)度越大；摻量到達(dá)3%以后，其抗折強(qiáng)度有小幅度的降低，所以3%的摻量為適宜摻量；（3）當(dāng)摻量為3%時(shí)，3d、7d、28d齡期下的納米SiO2改性水泥的抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)水泥分別提高了86%、53%、46%，說(shuō)明摻加適量納米級(jí)SiO2對(duì)水泥漿體的抗折性有很大的提高。

1.3 納米TiO2改性水泥的抗折強(qiáng)度

熊國(guó)宣等人在研究納米TiO2水泥的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)在不同齡期下?lián)郊硬煌俜直鹊募{米TiO2進(jìn)行試驗(yàn)。考慮了0%、3%、5%和7%共4個(gè)摻量比。測(cè)得3d齡期各摻量對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度為（5.3，6.8，5.9，4.9）MPa；7d齡期各摻量對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度為（5.8，7.0，6.9，5.4）MPa；28d齡期各摻量對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度為（6.1，8.1，8.3，7.2）MPa。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，齡期為3d的納米TiO2改性水泥的最大抗折強(qiáng)度為6.8MPa，齡期為7d的納米TiO2改性水泥的最大抗折強(qiáng)度為7.0MPa，齡期為28天的納米TiO2改性水泥的最大抗折強(qiáng)度為8.3MPa，他們的摻量的分別為3%、3%、5%。所以不同齡期下，對(duì)應(yīng)的納米TiO2適宜摻量是不一樣的。

綜合納米黏土、納米SiO2、納米TiO2等三種納米材料改性水泥的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：（1）納米改性水泥的抗折強(qiáng)度高于普通水泥；（2）不同納米材料的水泥的適宜摻量不同；（3）納米水泥的抗折強(qiáng)度與摻量不成正比。

2 適宜摻量的抗折強(qiáng)度對(duì)比

通過(guò)觀察各組數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)在以上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中納米黏土、納米SiO2、納米TiO2等三種納米材料改性水泥的三個(gè)齡期都被考慮到，它們分別是3d、7d、28d。為了更好地比較三種水泥的抗折性能，統(tǒng)計(jì)適宜摻量下的三種水泥在3d、7d、28d的抗折強(qiáng)度，并與該水泥在3d的抗折強(qiáng)度的比值（簡(jiǎn)稱“抗折強(qiáng)度比”），定義如下式（2）。以齡期為橫坐標(biāo)，強(qiáng)度比為縱坐標(biāo)作出圖2。

k■=■ （2）

式中：fbt代表適宜摻量下各齡期的抗折強(qiáng)度；f3d代表適宜摻量時(shí)3d齡期下的抗折強(qiáng)度。由圖2可得：（1）各個(gè)齡期中，納米黏土改性水泥的抗折強(qiáng)度比大于納米SiO2改性水泥和納米TiO2改性水泥的抗折強(qiáng)度比；（2）3d和7d齡期時(shí)，納米TiO2改性水泥的抗折強(qiáng)度比大于納米SiO2改性水泥的抗折強(qiáng)度比；但在28d齡期時(shí)，納米TiO2改性水泥的抗折強(qiáng)度比明顯有下降，且小于納米SiO2改性水泥的抗折強(qiáng)度比；（3）齡期大約為16d時(shí)，可認(rèn)為納米TiO2水泥的抗折強(qiáng)度比與納米SiO2水泥的抗折強(qiáng)度比相等。

3 結(jié)束語(yǔ)

作為一種新興材料，納米改性水泥具有非常可觀的前景，多個(gè)研究數(shù)據(jù)表明納米材料能夠提高水泥的抗折強(qiáng)度。納米材料改性水泥的抗折強(qiáng)度高于基準(zhǔn)水泥，但其提高百分比不與摻量成正比，且不同納米改性材料的適宜摻量不同。在適宜摻量下，各個(gè)齡期的納米黏土改性水泥的抗折強(qiáng)度比都最大。不同納米材料改性水泥表現(xiàn)出略有差異的抗折強(qiáng)度性能，受到納米材料類型、摻加量、水泥品質(zhì)和養(yǎng)護(hù)齡期等諸多復(fù)雜因素的影響，這有待進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：徐婷（1978-），工程師，紹興市規(guī)劃管理處審批服務(wù)處。