纳米SiO_2和碳酸钙晶须制备水泥基材料性能试验_黄伟.pdf

第 40 卷 第 1 期2023 年 1 月长江科学院院报Journal of Changjiang iver Scientific esearch InstituteVol 40No 1Jan 2023收稿日期:2021 08 07;修回日期:2022 01 12基金项目:安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2020A0899);安徽省高校学科拔尖人才学术资助项目(gxbjZD2022111)作者简介:黄伟(1980 )，男，安徽青阳人，教授，博士(后)，研究方向为混凝土结构与材料。E-mail:hwaust163 comdoi:10 11988/ckyyb 202108252023，40(1):171 175纳米 SiO2和碳酸钙晶须制备水泥基材料性能试验黄伟1，张阳阳1，葛进进2，方张平1(1 淮南联合大学 建筑与艺术学院，安徽 淮南232038;2 安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南232001)摘要:采用纳米 SiO2和碳酸钙晶须制备水泥基材料，利用 SEM、XD 和 TG-DSC 等技术手段对水泥基材料的水化产物、微观结构和热稳定性等进行有效表征，并试验研究了双掺0%、1%、2%、3%、5%、10%的碳酸钙晶须和1%纳米 SiO2保温水泥砂浆的力学性能和导热性能。研究结果表明:纳米 毫米两种尺度材料掺入水泥浆内部后，纳米SiO2与水泥水化产物 Ca(OH)2晶体发生二次水化反应，生成 C S H 凝胶体，有效地填充水泥基体孔隙、细化水泥基内部孔径尺寸，碳酸钙晶须具备纤维和微粒双重作用，可以在水泥基中产生纤维的桥联效应，两者材料结合起来，可在水泥基内部形成密实网状絮凝结构;纳米 SiO2和碳酸钙晶须掺入后可以提高砂浆的强度，3%碳酸钙晶须和 1%纳米 SiO2配制的保温水泥砂浆抗压和抗折强度分别为 25 6 MPa 和 6 19 MPa，导热系数为 0 456 7 W/(mK)，强度和导热性能兼顾。关键词:纳米 SiO2;碳酸钙晶须;微观分析;力学性能;导热系数中图分类号:TB 332文献标志码:A文章编号:1001 5485(2023)01 0171 05开放科学(资源服务)标识码(OSID):Properties of Cement based Material Mixed with Nano SiO2and Calcium Carbonate WhiskerHUANG Wei1，ZHANG Yang-yang1，GE Jin-jin2，FANG Zhang-ping1(1.School of Architecture and Arts，Huainan Union University，Huainan232038，China;2.Institute of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan232001，China)Abstract:The hydration products，microstructure and thermal stability of cement-based materials prepared bymixing with nano-SiO2and calcium carbonate whisker were effectively characterized by using SEM，XD and TG-DSC The mechanical properties and thermal conductivity of thermal-insulated cement mortar were also studied byadding 0%，1%，2%，3%，5%and 10%calcium carbonate whisker and 1%nano-SiO2 Test results revealedthat by adding materials of nano-and-millimeter level scales，C-S-H gels were generated from the secondary hydra-tion reaction between nano-SiO2and Ca(OH)2crystal，filling the voids in cement base and refining the pores incement baseMoreover，calcium carbonate whisker has dual-function of fibers and particles，hence producingbridging effect in the cement based，forming a dense network flocculation structure inside the cement base Thestrength of cement mortar can be improved by adding nano-SiO2and calcium carbonate whisker The compressivestrength and flexural strength of thermal insulation cement mortar mixed with 3%calcium carbonate whisker and1%nano-SiO2is 25.6 MPa and 6.19 MPa，respectively，and the thermal conductivity is 0.456 7 W/(mK)Both the strength and thermal conductivity are taken into considerationKey words:nano-SiO2;calcium carbonate whisker;microscopic analysis;mechanical properties;thermal con-ductivity长江科学院院报2023 年1研究背景土木工程行业的快速发展，对建筑材料的性能要求提高了，为了更好地提高材料安全性、适用性、耐久性，往往通过掺入纤维来改善水泥基材料孔隙率、提高强度1 3。研究证明4 5，在水泥基中掺入单一纤维往往只能改善材料的特定性能，要想提升水泥基材料综合性能，控制水泥基材料内部的微孔洞、微裂纹等结构缺陷，需要从微观 细观 宏观 3个层面，通过掺入不同尺度的纤维材料组成多层次、多尺度结构，利用纤维的填充、阻裂和桥联作用来有效提升水泥基的综合性能。张勤等6 利用碳酸钙晶须和玻璃纤维双掺制备高性能水泥基材料，结果表明双掺两种纤维对水泥基材料抗折和劈拉强度有显著的增强作用;金光淋等7、郭小阳等8 在水泥基中掺入碳酸钙晶须，利用晶须伸长率低、模量高、抗拉强度高的特点降低水泥基材料裂缝尖端的耗能，抑制初始微裂纹的生长，从而提高水泥基材料的强度;张文华等9 利用纳米 微米 毫米多尺度纤维来复合增强超高性能混凝土，利用不同尺度的纤维抑制混凝土缺陷，显著提升超高性能混凝土的力学性能;张聪等10 利用多尺度纤维制备水泥基材料，用扫描电镜和断裂试验，进一步验证了多尺度纤维组合可有效改善水泥基材料的韧性。保温砂浆是在水泥基材料中添加玻化微珠制备而成的，具有良好的保温性能，但是其强度低，与基体黏结力不足，砂浆易开裂脱落。本文采用纳米二氧化硅(Nano-SiO2，简称 NS)和碳酸钙晶须(Calci-um Carbonate Whisker，简称 CW)制备水泥基材料，利用扫描电子显微镜(SEM)、X 射线衍射(XD)和同步热分析(TG-DSC)等技术手段分析水泥基材料的微观结构、水化反应产物和水化反应的热效应特点11，同时制备玻化微珠保温砂浆，分析 NS 和 CW对保温砂浆力学性能和导热性能的影响，本文研究成果为推广多尺度纤维保温砂浆的应用提供理论依据。2试验材料及方法21原材料水泥采用淮南八公山牌普通硅酸盐水泥(PO 42 5);使用萘系减水剂(FDN C)，掺量为水泥质量的 1%;细骨料为河砂和玻化微珠，玻化微珠为河北廊坊信义鼎节能保温建材公司生产;拌合用水为自来水;NS 来自河北贵皇金属材料有限公司，其SiO2含量 99 9%，体积密度为 0 06 g/cm3，平均粒径为 20 nm，比表面积为240 m2/g;晶须为纯度98%文石型碳酸钙，长度 20 30 m，直径 0 5 1 2m，长径比 20 30，相对密度 2 8，NS 和 CW 微观形貌如图 1 所示。图 1NS 和 CW 微观形貌Fig1Microstructure of NS and CW22试样配合比和试样制备试验设计的水泥净浆配合比见表 1，保温砂浆配合比见表 2。试样制作时，将水泥、碳酸钙晶须、砂、玻化微珠和萘系减水剂 FDN-C 等材料按比例称量、搅拌、按标准规定的方法制作试件，24 h 后脱模，放入温度为 20 2、相对湿度 95%以上的标准养护箱中养护 28 d，试验中 NS 采用超声波分散法添加。表 1试验水泥净浆配合比Table 1Mixture proportions of cement paste样品编号质量分数/%水泥纳米 SiO2碳酸钙晶须水胶比CP11000004CP2991004CP3981104CP4961304CP5941504CP68911004表 2试验保温砂浆配合比Table 2Mix proportions of thermal insulation mortar砂浆编号质量分数/%水泥纳米 SiO2碳酸钙晶须减水剂砂水胶比玻化微珠体积掺量/%M11000012000404M2991012000404M3981112000404M4961312000404M5941512000404M68911012000404注:NS 和 CW 均为水泥质量百分数，掺入后等量替代水泥。23试验方法X 射线衍射(XD):选择合适的水泥净浆试件块体，经过破碎、烘干、研磨和过筛，用 200 目筛孔过筛后进行 XD 分析。采用布鲁克 D8A 型分析仪，试验范围为 5 95，测试速率为 1/min。271第 1 期黄伟 等纳米 SiO2和碳酸钙晶须制备水泥基材料性能试验SEM:试件采用自然破碎，烘干后选择平整的面作为扫描面，固定试样，镀层银膜，然后采用扫描电子显微镜 SEM Zeiss Sigma 300 进行扫描电镜试验。TG-DSC:所用仪器型号为耐弛 STA 449F5。分析温度范围为 30 1 000，升温速率为 10 K/min，流速 50 mL/min，氮气氛围，Al2O3坩埚。强度试验:按砂浆抗折和抗压强度要求制作标准试件，采用微机控制电液伺服万能实验机WAW 1000 和微机控制电子抗折试验机 YDW 10 分别进行抗压强度和抗折强度测试。导热性能试验:利用 D3030 智能平板导热系数测定仪测试水泥砂浆的导热系数，测量温度范围为 10 90，测量精度为 0 06。3试验结果与讨论31微观结构分析从图2(a)可以看出，不掺 NS 和 CW 材料时，材料内部孔隙较大，且孔隙间微裂纹没有针状纤维连接，水泥浆水化产物为六方薄片状 Ca(OH)2晶体堆叠在一起，有少量的针状、柱状的 AFt 晶体;单掺 NS后，NS 与水泥水化产物 Ca(OH)2发生二次反应，生成水化硅酸钙，剩余的 NS 在水泥浆中充当微集料的填充作用，降低了水泥基体中的孔隙率，如图2(b)所示;同时掺入 NS 和 CW 时，水泥基水化产物形貌较多，出现针状、片状和柱状水化产物，如图2(c)所示;随着 CW 掺量增加，整个水泥基材料内部针状水化产物明显增多，在微裂缝处可以显著看出 CW 对微裂缝的连接作用，微裂纹因晶须的限制发生偏转，表明 CW 掺入可以控制水泥基材料中微裂纹