納米氮化硅對水泥早強性能的影響研究

盧婷

（安徽理工大學能源與安全工程學院，安徽淮南232000）

隨著社會發展，各領域對水泥基材料的需求不斷增加，對水泥基材料的性能要求也越來越高。如何提高水泥材料的早強性和耐久性已成為水泥科學技術中最為關注的問題之一[1]。目前，水泥材料的外加劑在實際生產中應用廣泛，早強劑是其中最為重要的一部分[2]。本文擬研究提高水泥基的早期強度。由于納米材料的尺寸小，表面原子數多，反應活性高，加入水泥后因其高活性可與水泥礦物和水化產物發生水化過程，進而加速水化反應，增加體系的膠凝性能，并且能夠加速水化產物迅速成核[3-4]，眾多學者展開了納米材料應用于水泥基中的研究。而納米Si3N4材料是最具有發展前途的材料之一，除了具有納米材料尺寸小的特性外還具有很好的化學穩定性、優良的介導性能和優異的力學性能[5]。納米Si3N4廣泛應用于陶瓷材料以提高材料的耐磨性、耐腐蝕性和耐高溫性，但其在水泥基中的應用甚少。本實驗將納米Si3N4摻入水泥基中，從而研究納米Si3N4對水泥基早期強度的影響，并通過SEM和XRD 對早強機理進行分析。

1 實驗部分

1.1 原材料

P·O 32.5 普通硅酸鹽水泥（八公山水泥廠）；納米Si3N4（無錫恒泰有色金屬研究院）。

1.2 實驗方法

依據GB 8076-2008《混凝土外加劑》，控制水灰比為W/C=0.4。實驗中的各組分摻量百分比均以膠凝材料的質量計。將各組分與水泥充分攪拌后注入70 mm×70 mm×70 mm 模具中并放入HBY-60Z 型水泥恒溫恒濕標準箱中養護，養護溫度20℃，相對濕度98%，養護12 h 后脫模，并繼續養護至規定期齡后用無水乙醇終止水化，丙酮浸泡后備用。

（1）抗壓強度測試。根據GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，水泥試件抗壓強度測試采用YAW-3000 型伺服壓力試驗機。

（2）SEM 分析。將試塊切割為薄片狀樣本后，用FLEXSEM-1000 掃描電子顯微鏡進行SEM分析。

（3）XRD 分析。取適量試塊研磨成粒徑不大于63 μm 的粉末干燥后，用XRD-6000X 射線衍射分析儀進行XRD 分析。

2 實驗過程及結果分析

將不添加任何外加劑的水泥凈漿設為基準組；將分別摻入1%、2%、3%的納米Si3N4的水泥試件設為實驗組，對水泥試件進行相關早強性能測試。

2.1 抗壓強度分析

摻入不同摻量納米Si3N4的水泥試件，在不同期齡的抗壓強度測試如圖1 所示。從圖1 可以看出，隨著納米Si3N4含量的增加，水泥材料的抗壓強度與基準組相比整體上升，但抗壓強度增加的幅度先增加后下降。主要由于納米Si3N4的尺寸小，可以填補水泥基內部的孔隙，因此加入納米Si3N4后抗壓強度增加。但納米Si3N4摻量過多時易發生團聚，大量的小尺寸顆粒在水泥熟料周圍，一定程度上阻礙了熟料和水的接觸，減緩了水化反應，使內部產生空隙，改變了水泥的內部結構。因此納米Si3N4摻量過大時抗壓強度增加的幅度下降。當納米Si3N4的摻量為2%時試件抗壓強度達到最大值，相較基準組加入2%納米Si3N4的水泥凈漿1、3、7、28 d 抗壓強度分別提高了37.3%、25.3%、22.8%、19.1%。

圖1 不同摻量納米Si3N4 對水泥漿體的抗壓強度影響

2.2 XRD 分析

分別對期齡為1 d 的基準組和摻加2%納米Si3N4的最優組進行XRD 分析，結果如圖2 所示。

圖2 基準組與最優組水化期齡為1 d 的XRD 圖

從圖2 可以看出，經過1 d 的水化反應，基準組和實驗組的水化產物基本相同，只是兩者水化反應的進展不同。其中摻加了2%納米Si3N4的最優組的Ca（OH）2、C2S、C3S 峰值要低于基準組，而鈣礬石（AFt）的峰值要高于基準組。通過XRD 分析結果可以看出，加入納米Si3N4后不改變水泥的水化反應組成成分，而水化反應界面處的CH 晶體的衍射峰強度較基準組有所下降，說明納米Si3N4可以起到晶核作用，能夠迅速成核，吸引水泥中更多的Ca（OH）2參與二次水化反應，生成更多的C-H-S 凝膠和鈣礬石晶體。因此加入納米Si3N4的水泥提高了抗壓強度和耐久性。

2.3 SEM 分析

通過掃描電鏡對水化期齡為1 d 的基準組水泥試件和摻入最佳摻量2%納米Si3N4的水泥試件進行微觀結構分析，對比兩者的SEM圖（圖3、圖4）可以發現，經過1 d 水化反應后，基準組中仍存在大量未參與反應的水泥熟料以及少量的鈣礬石；而摻入2%納米Si3N4的最優組則相較基準組結構更致密，孔隙和空隙相對較小，且有更多的針棒狀鈣礬石和交錯分布的C-H-S 產生。由于納米Si3N4的微集料效應可以填充水泥熟料之間的孔隙，使水泥的內部結構更加致密穩固；且能夠促進水泥水化，加快水化產物的形成，為水化進展提供了更多的C-H-S 凝膠，改善CH 晶體的定向排列取向性，使界面結構由平面排列向空間結構過渡，改善界面的綜合性能，從而提高水泥的早強性能。

圖3 基準組水泥試件1 d 漿體SEM 圖

圖4 摻入2%納米Si3N4 試件1 d 漿體SEM 圖

3 結論

（1）加入納米Si3N4后水泥試件的抗壓強度增加，但隨著納米Si3N4的增加，水泥基抗壓強度增加的幅度先上升后下降。其中納米Si3N4的最佳摻量為2%，摻量為2%時1 d 的抗壓強度為9.2 MPa，較基準組提高了37.3%。

（2）摻加納米Si3N4水泥基的早期水化產物與基準組相比明顯增多，且由于納米Si3N4的小尺寸填補了水泥漿的孔隙，使水泥的內部結構更密實，孔結構得到了改善；此外還加快了水泥基的水化進程，改善了水泥內部結構，使水泥基的早期強度和耐久性都得到了改善。