溫度對摻有納米SiO2砂漿強度的影響

汪建明，魏公權，朱競秀，余小龍

（1.甘肅遠大路業集團有限公司，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

納米材料被譽為21世紀最有前途的材料,是指粒徑介于1～100 nm的粒子,具有小尺寸效應、表面效應、量子效應和宏觀量子隧道效應等[1]。隨著材料科學的發展，納米SiO2因其能改善水泥混凝土的性能而被逐漸運用，納米SiO2優化作用主要體現在兩個個方面：一是由于納米SiO2具有火山灰活性，能與水泥混凝土中的Ca（OH）2迅速發生反應，并生成強度較高的C-S-H凝膠體，減少Ca（OH）2的含量并細化晶體粒徑，促進水泥混凝土強度發展[2]。二是由于水泥基材料的粒徑都在10～200 μm之間，而納米SiO2的粒徑均在10 nm左右，納米SiO2能夠填充水泥及其水化產物間的空隙中，提高密實度[3]。目前把納米SiO2摻入混凝土中的研究比較少,大多僅限于宏觀物理力學性能層面上。葉青[4]、巴恒靜[5]等對納米SiO2對水泥基材料的改性及機理進行了研究,結果表明:納米材料能明顯降低水泥漿體的結構缺陷,改善微觀結構,提高水泥硬化漿體的密實度和強度。陳安生[6]研究了納米SiO2與粉煤灰復摻，配置C35、C60兩種混凝土強度，試驗表明：納米SiO2的確能增強混凝土的抗壓強度、彈性模量等力學性能，并且發現納米SiO2對低強度的混凝土的改善效果更優。

以上的結論都是在標養條件下，在混凝土中摻入納米SiO2來研究它的物理力學性能以及確定最佳摻量的。但在高海拔地區，混凝土的施工通常會受到低溫的影響，寒冷的氣候會使混凝土處于低溫甚至負溫的條件下養護，青藏鐵路沿線多年凍土年平均地溫基本維持在0℃～-3.5℃[7]，而摻有納米SiO2的砂漿試塊的強度隨溫度的變化規律卻少有研究。因此控制10%摻量不變，在不同的養護溫度下，分析砂漿試塊的強度隨齡期的變化，為納米SiO2在混凝土中的合理應用提供參考依據。

1 試驗

1.1 原材料

水泥（cement）采用甘肅祁連山水泥集團股份有限公司生產的P·O42.5級水泥；納米SiO2采用上海邁坤化工有限責任公司生產的粒徑為30 nm，純度為99.5%的SiO2；拌合水采用實驗室自來水，pH為7.6。利用X射線熒光法測試的水泥化學成分見表1，納米二氧化硅（nano SiO2）的物理性能見表2。

表1 水泥的化學成分

表2 納米二氧化硅的物理性能

1.2 配合比

納米二氧化硅砂漿配合比見表3，試驗采用的水灰比為 0.5。

表3 砂漿配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 抗壓強度測試方法

按照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671）[XX]中規定的方法來攪拌和制備膠砂試件，試件采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體。把已制備的試件放在-3℃、5℃、10℃、20℃的溫度下養護至7 d、14 d、28 d，然后測出三種齡期下的抗壓強度值。

1.3.2 養護方法

膠砂試件分別在-3℃、5℃、10℃、20℃的恒溫環境中養護。其中，采用20℃的養護條件時，試件在溫度（20±1）℃、相對濕度不低于90%的環境中養護24 h，然后脫模養護至規定齡期。采用-3℃、5℃、10℃的養護條件時，試件成型后帶模且采用塑料薄膜包裹直接放入

-3℃、5℃、10℃的低、負溫養護環境中至24h后脫模，再放入低、負溫的養護環境養護至規定齡期。低、負溫的養護環境采用中國建筑科學研究院生產的人工氣候模擬箱來實現，該模擬系統溫度可控制在-20℃～80℃之間，溫度波動不大于0.5℃，相對濕度可控制在10%～98%。

2 結果與討論

2.1 溫度對強度的影響結果及分析

當納米SiO2的摻量分別為 0%、10%時，在-3℃、5℃、10℃和20℃的養護條件下，砂漿試件7 d、14 d和28 d的砂漿試件的抗壓強度值見表4，當納米 SiO2的摻量分別為 0%、10%時，在-3℃、5℃、10℃和20℃的養護條件下，砂漿試件的抗壓強度值隨齡期的變化規律見圖1。

表4 砂漿試塊抗壓強度值 MPa

圖1 砂漿試件的抗壓強度隨齡期的變化

由表4和圖1可以得出：不管是否外摻納米SiO2的砂漿試件，7 d、14 d和28 d的抗壓強度均隨養護溫度的降低而減小，且對7 d的抗壓強度影響最為顯著；當摻有納米SiO2時，溫度越低，砂漿試件7～14 d的抗壓強度增長速率越大。

從圖1（a）中可以得到，當不摻納米SiO2時，在-3℃的養護條件下7 d、14 d、28 d的抗壓強度是養護溫度為20℃時抗壓強度的54.2%、62.6%、71.0%；當養護條件為5℃時，這一比例變為64.0%、86.3%、86.9%；當養護條件為10℃時，這一比例變為91.0%、96.0%、93.4%，可以得出7 d、14 d和28 d的抗壓強度均隨養護溫度的降低而減小。當養護條件為-3℃時，7～14 d和14～28 d的強度增長速率分別為1.59 MPa/d和0.46 MPa/d；當養護條件為5℃時，增長速率分別為2.61 MPa/d和0.27 MPa/d；當養護條件為10℃時，增長速率分別為2.14 MPa/d和0.20 MPa/d；當養護條件為20℃時，增長速率分別為2.02 MPa/d和0.30 MPa/d，不摻納米SiO2時，當養護溫度為5℃時砂漿試件7～14 d的抗壓強度增長速率最大。

從圖1（b）中可以得到，當納米SiO2摻量為10%時，在-3℃的養護條件下7 d、14 d、28 d的抗壓強度是養護溫度為20℃時的51.8%、85.9%、88.8%；當養護條件為5℃時，這一比例變為70.6%、89.7%、92.4%；當養護條件為10℃時，這一比例變為84.0%、95.0%、96.7%，可以得出7 d、14 d和28 d的抗壓強度均隨養護溫度的降低而減小，且對7 d的抗壓強度影響最為顯著。當養護條件為-3℃時，7～14 d和14～28 d的強度增長速率分別為3.38 MPa/d和0.22 MPa/d；當養護條件為5℃時，增長速率分別為2.94 MPa/d和0.22 MPa/d；當養護條件為10℃時，增長速率分別為2.78 MPa/d和0.20 MPa/d；當養護條件為20℃時，增長速率分別為2.51 MPa/d和0.15 MPa/d，可以得出養護溫度越低，砂漿試件7～14 d的抗壓強度增長速率越大。

原因分析：水泥的顆粒粒徑通常在 7～200 μm，水泥漿體7 d齡期內會水化生成大量的Ca（OH）2,納米SiO2具有良好的火山灰活性，在7 d內與的Ca（OH）2反應迅速，它的水化產物—水化硅酸鈣凝膠（C-S-H凝膠）尺寸在納米級范圍，平均粒徑為 10 nm[8]，能有效細化 Ca（OH）2晶粒，有助于改善水泥漿與骨料界面強度，相同齡期時隨著試件養護溫度的降低，水泥水化速率和水化程度減小，水化生成的Ca（OH）2就減少，所以造成了試件抗壓強度值降低[9]。在-3℃持續負溫養護下，試件處于冰凍環境中，水泥漿體大孔中的水會結冰，但凝膠孔中的水分還是以過冷的形式以液態水繼續存在，在負溫養護環境下仍會有水與水泥發生水化反應，并且納米SiO2與Ca（OH）2反應能放出熱量，會促進水化反應的進行，所以在低、負溫條件下試件的強度也就會持續增長[10]，并且由于納米SiO2所特有的“表面效應”，摻加納米二氧化硅的水泥凈漿的初凝和終凝時間均隨摻量的增加而縮短,納米二氧化硅的水化反應速度明顯比普通硅酸鹽水泥要快[11]，砂漿試件7～14 d的抗壓強度增長速率越大。

2.2 外摻納米10%SiO2對強度的影響結果及分析

當養護溫度分別為 -3℃、5℃、10℃和 20℃時，在養護齡期為7 d、14 d和28 d的條件下，外摻納米SiO2砂漿試件對抗壓強度值的影響規律見圖2。

圖2 外摻10%納米砂漿試件的抗壓強度隨摻量的變化

由圖2可以得出：當養護溫度為-3℃、5℃、10℃時，外摻納米SiO2有利于砂漿抗壓強度發展；當養護溫度為20℃時，外摻納米SiO2反而不利于砂漿試塊抗壓強度發展。隨著齡期發展，納米SiO2的優化作用逐漸顯現，且溫度越低，納米SiO2對砂漿試塊抗壓強度優化幅度越高。

從圖2（a）中可以得到，當養護溫度為-3℃時，在7 d齡期時，摻量為10%時砂漿試件的抗壓強度是摻量為0%時的88.6%；到14 d齡期時，這一比例變為142.0%；到28 d齡期時，這一比例變為122.9%；從而可以確定外摻納米SiO2的在-3℃時能優化砂漿試塊的抗壓強度。

從圖2（b）中可以得到，當養護溫度為5℃時，在7 d齡期時，摻量為10%時砂漿試件的抗壓強度是摻量為0%時的102.2%；到14 d齡期時，這一比例變為107.4%；到28 d齡期時，這一比例變為104.7%；從而可以確定外摻納米SiO2的在5℃時能優化砂漿試塊的抗壓強度。

從圖2（c）中可以得到，當養護溫度為10℃時，在7 d齡期時，摻量為10%時砂漿試件的抗壓強度是摻量為0%時的85.5%；到14 d齡期時，這一比例變為102.3%；到28 d齡期時，這一比例變為102.0%；從而可以確定外摻納米SiO2的在10℃時能優化砂漿試塊的抗壓強度。

從圖2（d）中可以得到，當養護溫度為20℃時，在7 d齡期時，摻量為10%時砂漿試件的抗壓強度是摻量為0%時的92.7%；到14 d齡期時，這一比例變為103.4%；到28 d齡期時，這一比例變為98.5%；從而可以確定外摻納米SiO2的在20℃時并不能明顯優化砂漿試塊的抗壓強度。

原因分析：水泥的顆粒粒徑通常在 7～200 μm，水泥漿體在7 d齡期內生成大量的Ca（OH）2,納米SiO2具有良好的火山灰活性，在7 d內與的Ca（OH）2反應迅速，它的水化產物—水化硅酸鈣凝膠（C-S-H凝膠）尺寸在納米級范圍，平均粒徑為10 nm[8]，能有效細化 Ca（OH）2晶粒，有助于水泥漿與骨料界面強度的提高；并且納米SiO2能夠在水泥復合結構中起到晶核作用,在納米SiO2表面會形成鈣礬石與C-S-H凝膠在其表面形成鍵合,改變其結構形式并提高砂漿試塊的力學性能[12]。并且按照吳中偉院士的分類方法,孔徑小于20 nm的為無害孔,孔徑在20～50 nm的為少害孔,孔徑在20～200 nm的為有害孔,200 nm以上的為多害孔。由于納米材料的顆粒粒徑小于100 nm,可以對水泥硬化漿體中50～100 nm的有害微孔起到填充效應,有效改善孔隙率和孔隙結構,從而可以提高水泥混凝土的抗壓性能[11]。摻入粒徑為數十納米的碳黑（完全惰性）也能提高混凝土的強度[13],這可以作為納米SiO2具有物理填充作用的佐證。而納米 SiO2摻量過多時容易產生團聚，與水反應形成的凝膠也會包裹水泥顆粒，同時也封閉一些孔隙，阻礙水化反應，會造成強度下降[10]，并且納米SiO2的比表面積極大，拌合后會吸附大量的表層水，減少參與水化的水量[10]，也會使后期的強度增長速率降低。

3 結論

（1）不論是否外摻SiO2的砂漿試件，7 d、14 d和28 d的抗壓強度均隨養護溫度的降低而減小，且對7 d的抗壓強度影響最為顯著；當摻有納米SiO2時，溫度越低，砂漿試件7～14 d的抗壓強度增長速率越大。

（2）當養護溫度為-3℃、5℃、10℃時，外摻10%納米SiO2的砂漿試塊的抗壓強度均所有增長；當養護溫度為20℃時，10%摻量的納米SiO2對砂漿試塊抗壓強度的優化作用并不明顯反而有所削弱。

（3）隨著齡期發展，納米SiO2的優化作用逐漸顯現，且溫度越低，納米SiO2對砂漿試塊抗壓強度優化幅度越高。