納米二氧化硅對水泥—石灰石粉膠砂毛細吸水的影響

鄧芳芳

摘 要：本文通過毛細水試驗分析了納米二氧化硅對石灰石粉混凝土毛細吸水性能的影響。結果表明，石灰石粉增加了水泥膠砂的毛細吸水系數，而納米二氧化硅降低早期水泥-石灰石粉膠砂的毛細吸水系數而增大后期的吸水率，進而表明，石灰石粉增大水泥硬化漿體的毛細孔結構，而納米二氧化硅改善7天水泥-石灰石粉硬化漿體毛細孔結構，但28天后改善效果有所減弱。

關鍵詞：納米二氧化硅 石灰石粉 毛細吸水 孔結構

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（a）-0066-03

隨高性能混凝土的發展，礦物摻合料在水泥基材料中的作用日漸增強。傳統礦物摻合料粉煤灰和礦粉的產量日益減少。石灰石粉作為礦物摻和合料加入到混凝土中具有經濟、社會和環境效益[1]。研究表明石灰石粉能夠促進C3S的早期水化[2]，縮短混凝土的凝結時間[3]。提高混凝土的早期強度[4]，增大砂漿的流動度[5]。然而文獻[6]認為石灰石粉的摻入不利于混凝土抗氯離子滲透性能。水是影響混凝土耐久性的主要因素，一方面，水本身的滲透將引起材料性能的劣化，如水滲入混凝土中將導致混凝土的凍融或鈣溶蝕破壞；另一方面，水是氯離子、硫酸根離子等侵蝕性介質進入材料內部的主要載體。在無荷載作用狀態下，水主要通過毛細作用滲入混凝土內部，因此研究混凝土的毛細吸水對研究混凝土的防水性能有重要的意義。納米二氧化硅可提高混凝土早期強度，改善混凝土的微觀結構，使其結構更加密實均勻，并可提高其耐久性[7]，因此通過納米二氧化硅改善石灰石粉在混凝土中的應用具有較大研究價值。本文通過研究納米二氧化硅對水泥-石灰石粉膠砂毛細吸水性能以探討納米二氧化硅對水泥-石灰石粉膠砂抗滲性能的影響，進而了解納米二氧化硅對石灰石粉混凝土的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

采用P·I 42.5的基準水泥與VK-SH30型納米二氧化硅，水采用自來水。石灰石粉采用湖北荊門生產的比表面積為412m2/kg的石灰石粉，其碳酸鈣含量達99%以上。

1.2 試驗方法

按照表1所示試驗配合比成型標準砂漿試件，標養24h后拆模置于標準養護條件下養護7d、28d，之后采用ISTA法測定毛細吸水性，試驗溫、濕度分別保持在20℃、70%。首先將試件烘干12h，冷卻至室溫后將其側面涂石蠟做防水處理，稱取質量m1后將其一端浸泡在距水面4～5mm深處，浸沒至預定時間后，用濕抹布抹去表面明水，測定質量m2，吸水質量ΔW=m2-m1，每次操作控制在30s內。吸水時間分別控制為t=10，15，60，80，160，120min。吸水規律的計算公式如下：

式中：A為常數，ΔW為吸水質量，i為吸附速率，S為毛細吸水系數，Ar為截面積，t為浸水時間，φ0為水的密度。由不同時刻的ΔW，聯立式（1）（2）得i關于t1/2的吸水率發展曲線，擬合曲線得毛細吸水系數S。

2 試驗結果與分析

納米二氧化硅對水泥-石灰石粉膠砂毛細吸水性能的影響分析如下。

圖1（a）（b）分別為石灰石粉對膠砂7d、28d齡期毛細吸水速率的影響。圖2（a）（b）分別為石灰石粉摻量為10%時，納米二氧化硅對水泥-石灰石粉膠砂試件7d、28d齡期毛細吸水速率的影響。

由圖1可以看出，隨測試時間的增加，水泥-石灰石粉膠砂毛細吸水速率呈線性規律逐漸增加；在齡期為7d時的圖1（b），剛開始測試的水泥-石灰石粉膠砂吸水速率在0.09mm左右基本不隨石灰石粉摻量增加而變化，隨著測試時間的增加，試樣吸水速率增加，當石灰石粉摻量超過20%時，水泥-石灰石粉膠砂吸水速率迅速增大；在齡期為28d時的圖1（b），除了開始測試的時間點的吸水速率，28d的水泥-石灰石粉膠砂吸水速率均比7d的要小，增長速率緩慢，石灰石粉的摻入同樣增加了水泥膠砂的吸水速率，石灰石粉摻為20%時，水泥-石灰石粉膠砂吸水速率也明顯增加。

由圖2可以看出，隨測試時間的增加，摻納米二氧化硅的水泥-石灰石粉膠砂毛細吸水速率也呈線性增加；如圖2（a）所示，納米二氧化硅摻量小于3%時水泥-石灰石粉膠砂的吸水速率絕對值比摻10%石灰石粉膠砂的要小，當納米二氧化硅摻量為5%時，膠砂吸水速率前期比摻10%石灰石粉膠砂的要小，但后期超過了空白樣S0L10。當齡期為28d時，同樣，除了開始測試時的時間點的吸水速率外，28d的水泥-石灰石粉膠砂吸水速率均比7d的要小，增長速率緩慢，此時，水泥-石灰石粉膠砂的毛細吸水速率隨納米二氧化硅用量增加而增大。

由毛細吸水率公式1線性擬合得到反映膠砂孔結構的毛細吸水系數S即圖1和圖2中曲線的斜率，圖3和圖4分別為水泥-石灰石粉膠砂和摻納米二氧化硅的水泥-石灰石粉膠砂毛細吸水系數。由圖3可知，無論是早期的7d還是后期的28d，石灰石粉均增加了水泥膠砂的毛細吸水系數。研究表明[8]，膠砂毛細吸水速率反映其內部孔徑分布，吸水系數越小，膠砂內部孔越小且聯通的可能性也較小，從而說明石灰石粉增大了水泥膠砂的孔結構；另外研究也表明[4]，孔徑分布均勻且密封的膠砂膠砂力學性能和耐久性能較高，進而說明石灰石粉降低了水泥膠砂的性能。由圖4可知，7d時隨納米二氧化硅增加水泥-石灰石粉膠砂的吸水系數先減小后增大，28d時隨納米二氧化硅增加吸水系數逐漸增大，由此可得：二氧化硅改善了早期7d水泥-石灰石粉膠砂的力學性能和耐久性能，但對后期28d后改善效果不再明顯。

3 結語

隨石灰石粉摻量增加，7d和28d水泥膠砂毛細吸水系數增大；隨納米二氧化硅摻量增加，7d的水泥-石灰石粉膠砂毛細吸水系數先減小后增大，而28d時膠砂毛細吸水系數一直增加；這表明，石灰石粉增大水泥硬化漿體的毛細孔結構，降低了水泥膠砂的力學性能和耐久性能，而納米二氧化硅摻量少于3%時對7d水泥-石灰石粉膠砂性能具有改善作用，但28d后二氧化硅的改善作用大大減弱。

參考文獻

[1] 李步新，陳峰.石灰石硅酸鹽水泥力學性能研究[J].建筑材料學報，1998（2）：186-191.

[2] 饒美娟，劉數華，方坤河，等.石灰石粉對水泥基材料水化動力學的影響[J].建筑材料學報，2009（6）：734-736，741.

[3] Wang S， Cheng C， Lu L， et al. Effects of slag and limestone powder on the hydration and hardening process of alite-barium calcium sulphoaluminate cement[J].Construction & Building Materials，2012， 35（35）：227-231.

[4] 劉數華，閻培渝.石灰石粉對水泥漿體填充效應和砂漿孔結構的影響[J].硅酸鹽學報，2008（1）：69-72，77.

[5] 劉數華，閻培渝.石灰石粉在復合膠凝材料中的水化性能[J].硅酸鹽學報，2008（10）：1401-1405.

[6] 肖佳，王永和，鄧德華，等.粉煤灰-石灰石粉高強混凝土的Cl-擴散性能[J].建筑材料學報，2008（2）：212-216.

[7] 陳榮升，葉青.摻納米SiO2與摻硅粉的水泥硬化漿體的性能比較[J].混凝土，2002（1）：7-10.

[8] 賀智敏，龍廣成，謝友均，等.蒸養混凝土的毛細吸水特性研究[J].建筑材料學報，2012，15（2）：190-195.