海水海砂硫铝酸盐及纳米改性混凝土研究综述_于雪梅.pdf

110 STONE 2 0 2 3 No.2综合利用海水海砂硫铝酸盐及纳米改性混凝土研究综述于雪梅，宋灵柳，李孟超，冯立超（江苏海洋大学 机械工程学院，江苏 连云港 2 2 2 0 0 5）摘 要：混凝土的大量使用导致河砂资源不断减少。因此考虑另一种建筑用砂变得迫在眉睫，由于地球有着极大的海洋面积，所以将海水海砂作为河水河砂的替代品成为了现在大热的研究方向。同时硫铝酸盐具有早强、抗渗等优点，用硫铝酸盐水泥制作海水海砂混凝土可以提升其综合性能，本文通过总结近些年学者们的研究，阐述了海水海砂硫铝酸盐混凝土的性能及优缺点，同时也分析了纳米材料对混凝土改善效果。最后提出对纳米改性海水海砂硫铝酸盐混凝土研究的几点建议，希望能对以后纳米改性海水海砂硫铝酸盐混凝土的发展做出一定的贡献。关键词：海水海砂；硫铝酸盐；纳米改性1 引言水泥现在是世界上使用量最大的大宗商品之一，水泥混凝土是由水泥、砂、石子、水等材料组成，有时候为了增强混凝土性能，还会向其中加入矿物掺和料及化学外加剂等，因为其优异的性能，混凝土成为了人们最主要的建筑材料。中国水泥行业已经发展了百余年，在2003年，水泥的年产量已经达到8.6亿t 左右，占世界总产量的40%左右。到2013年中国水泥产量达到24.2吨，占世界总产量的59%左右1。由此可见，中国的水泥因需求量的增长导致产量的快速增长。水泥的种类很多，现在最多是使用量最大的是普通硅酸盐水泥。在20世纪70年代，中国发明了硫铝酸盐水泥（SA C），此水泥主要用于工程的快速修补，抗渗堵漏领域、冬季施工、G R C制品等2。在8 0年代发明了铁铝酸盐水泥，主要用于抢修工程。中国发明的这两种水泥的主要特征是含有大量的C4A3矿物。这种水泥不同于普通硅酸盐水泥，该水泥具有早期强度高，抗渗性好，抗冻性好，耐腐蚀性优异等优点，但由于熟料中Ca O含量低，因此水泥水化溶液的碱度较低，p H值约为10.6。凭借此种优势，该水泥在中国达到了广泛应用3 4。当今世界人口飞速增长，生活用水及工业用水的需求量大大增加，淡水资源将变得更加宝贵，随着我国对海洋工程建设的日益重视，将海水海砂应用于特殊地方的情况将会越来越多，这同时也符合我国大力推进的海洋强国战略。作者简介：于雪梅（19 75），女，辽宁凌源人，教授。研究方向为海洋资源开发技术与装备；宋灵柳（19 9 8），男，江苏启东人，研究方向为海洋资源开发技术与装备；李孟超（2 0 0 1），男，江苏无锡人，研究方向为机械设计制造及其自动化；冯立超（19 75），男，辽宁凌源人，教授，研究方向为海洋资源开发技术与装备DOI:10.14030/ki.scaa.2023.0058石材2 0 2 3 年2 期 111 石 材S H I C A I综合利用2 海水海砂海水中主要含有的盐类物质有Na C l、M g C l2、M g S O4、K2S O4和Na2CO3等，其中Na Cl 为最主要的成分，海水中的盐类成分及含量会随各地不同而有一些细微的差异5。海水中的Na Cl 渗入到混凝土中会生成硅酸铝钠水合物，可以促进水泥的水化，提高早期强度，但同时海水中的M g SO4会与混凝土中的Ca（OH）2反应，对混凝土造成硫酸盐侵蚀6。海砂和河砂相比，两者的矿物成分基本相同，都是由石英和长石组成7。海砂有着更高的氯化物含量，同时海砂可能还含有贝壳等物质，这些物质对混凝土的力学性能和耐久性能都有不同程度的影响。由于各地的气候及环境不同，不同地方的海砂的物理性质和化学性质有着很大的差异，现在的海砂主要来自于沙丘，海滩和近海区域。D h o n d y8 等学者研究得出，来源于沙丘的海砂的氯化物含量较近海地区的海砂低，但钙含量更高。不管是从什么地方收集来的海砂，在用于施工的时候，都应该检测其性能指标，达到标准才可使用。3 海水海砂硫铝酸盐混凝土海水中含有大量对混凝土有害的离子，但硫铝酸盐水泥不同于普通硅酸盐水泥，硫铝酸盐水泥水化后不含铝酸三钙（C3A）和硅酸三钙（C3S），同时氢氧化钙的量也不高，因此海水对硫铝酸盐的影响较普通硅酸盐水泥低.另一方面，由于普通硅酸盐水泥的主要矿物熟料是3Ca OSi O2（C3S），每生产1k g 就需要排放0.58 k J的二氧化碳，而硫铝酸盐水泥熟料的主要矿物成分是无水硫铝酸钙（3Ca O3A l2O3Ca SO4），每生产1k g 仅仅排放0.22k J的二氧化碳，相较来说硫铝酸盐的生产过程碳排放量更少,是普通硅酸盐水泥的一半还少9。从耗能方面来看，硫铝酸盐水泥也要比普通硅酸盐水泥更少，更加节省能源。因此，硫铝酸盐水泥的生产更加符合国家节能减排的战略要求。Q i n g X u10等学者研究了一种经济、低碱的新型混凝土，此混凝土用硫铝酸盐水泥、海水和海砂制成，强度等级为C30的硫铝酸盐水泥基混凝土。并对此种混凝土的力学性能、表观p H 值进行了测试分析，同时还讨论了水泥类型（普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥）、水类型（淡水和海水）和砂类型（河砂和海砂）对此种混凝土性能的影响。结果表明在用海水海砂拌合的混凝土力学性能和表面p H 而言，硫铝酸盐水泥基混凝土的性能要好于硅酸盐水泥基混凝土。海砂明显降低了硫铝酸盐水泥基混凝土的坍落度，但对凝结时间没有影响。海水降低了硫铝酸盐水泥基混凝土的坍落度并延迟了凝结时间。海砂和海水都对此种新型混凝土的力学性能有积极影响。4 纳米改性混凝土纳米二氧化硅（Na n o-S i O2，NS）是有硅或有机硅的氯化物高温水解生成表面带有羟基的超微细粉末11，呈白色，其粒径一般在2060n m 左右，比表面积巨大，并不溶于水，在化学工业领域，白炭黑是它的另一种叫法。其用途非常广泛，如：电子、封装、塑料、抗菌材料、陶瓷等。现阶段工业上较为常用的制备纳米二氧化硅的方法有：气相法、溶胶-凝胶法、微乳液法、沉淀法12 13。由于二氧化硅表面有着很多的活性基团，具有火山灰效应，对水泥的水化具有很强的促进作用，也可作为填充材料促进水化，因此纳米二氧化硅是水泥改性的一种常见的物质。有学者指出水泥基材料一半以上的水化产物的尺寸在纳米级范围，本身具有纳米尺度，但是这些纳米级材料的结构是非常粗糙的14 15。纳米二氧化硅对水泥胶砂摩擦性能的影响16，总体来说，纳米二氧化硅的掺入能让水泥胶砂表面更加光滑，摩擦系数更小。当掺量在1.5%或更小时，水泥胶砂摩擦系数随掺量的增加而显著较少，当掺量1.5%以上时，摩擦系数开始变大。当今主流纳米材料对混凝土的影响17，现在建筑结构材料的混凝土已经向多功能、高耐久性方面发展。对高性能混凝土掺加纳米二氧化硅的研究，随着纳米二氧化硅掺量的增加，混凝土拌合物坍落度下降越多，其黏滞性增加，主要是因为纳米二氧化硅极大 112 STONE 2 0 2 3 No.2综合利用的比表面积使得水泥浆体的需水量急剧增加。在力学性能方面，实验得出，在1.5%掺量时，力学性能达到最佳。高温是混凝土所处的恶劣种环境之一，高温条件下的纳米混凝土性能，试验结果表明掺量在1.0%1.5%时，在相同受热温度下，抗压抗劈裂性能都有所提高，同时高温过后的冷却方式也对混凝土有一定程度的影响，喷水冷却比自然冷却损失的强度较多。对于纳米改性混凝土的冻融机理，通过制备不同纳米Si O2混凝土试件，测试了其试质量损失率、相对弹性模量和有效孔隙率等性能，在冻融循环作用下，纳米改性混凝土的质量损失率呈线增大后减小在增大的趋势，相对弹性模量随循环条件的增加而减少，在持续的冻融循环条件下，混凝土内部有害孔隙增加。从众多学者的研究中得出，纳米Si O2对于混凝土强度方面的改性效果很好，但在和易性方面有所损失，这主要是因为纳米Si O2很高的火山灰活性，能与水化产物中的CH 反应，其晶粒大小得到细化，同时此反应还伴随着大量的热，水化程度得到了一定的提高，强度因此获得提升。但因其巨大的比表面积，吸附了大量的自由水，导致其和易性变差。5 总结与展望在国家节能减排的战略要求下，硫铝酸盐水泥要比硅酸盐水泥更加环保，但硫铝酸盐水泥也有一个最大的缺点，就是价格比较昂贵，大概是普通硅酸盐水泥的两倍左右，但随着科学技术的发展，人们会研究出更好的技术来降低硫铝酸盐水泥的价格，使硫铝酸盐水泥应用更加广泛。同时纳米材料的加入，使混凝土的性能更上一层楼，但是由于纳米材料价格较高，探索最佳纳米材料及最佳掺量的纳米改性混凝土成为研究的一大方向。在某些特定的地区和项目中，海水海砂混凝土可能是传统混凝土的有力替代品。现阶段对于海水海砂混凝土的研究大多都是短期时间内的研究，要想获得性能更佳的混凝土，时间跨度较长的试验也很有必要，比如5年、10年以上的研究。参 考 文 献1 孙健,王旭方,殷祥男，等.水泥产业的未来趋势及发展特点 J.中国水泥,2 0 2 1（9）:6 6-6 9.2 何锐,郑欣欣,王渊,等.硫铝酸盐水泥性能特点与改性技术研 究现状J.应用化工,2 0 2 2,（5）:149 5-150 1.3 赵真.我国特种水泥工业的发展现状J.四川建材,19 9 6（5）:12.4 王燕谋.新时代硫（铁）铝酸盐水泥的发展J.中国水泥,2 0 19 （1）:54-58.5 李彪宗.海水海砂特性及其水泥基材料力学性能研究进展J.中国水运（下半月）,2 0 2 1（5）:13 4-13 6.6 Fa l a h M W.Ef f e c t o f s e a w a t e r f o r m i x i n g a n d c u r i n g o n s t r u c t u r a l c o n c r e t e J.T h e IES Jo u r n a l Pa r t A:C i v i l&St r u c t u r a l En g i n e e r i n g,2 0 10,3（4）.7 J.L,M.E,L.A,e t a l.M e c h a n i c a l a n d d u r a b i l i t y p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e m a d e w i t h d r e d g e d m a r i n e s a n d J.C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s,2 0 11,2 5（11）.8 D h o n d y T,R e m e n n i k o v A,A s c e M,e t a l.Pr o p e r t i e s a n d A p p l i c a t i o n o f Se a Sa n d i n Se a Sa n d Se a w a t e r C o n c r e t e J.M a t e r.C i v.En g,2 0 2 0,3 2（12）.9 吴金龙.C FB 高钙脱硫灰渣作硫铝酸盐水泥原料及掺合料试 验研究D .浙江大学,2 0 2 1.8 3.10 Q i n g X,T a o J,Z h e n g x i a n Y,e t a l.Pr e l i m i n a r y i n v e s t i g a t i o n o f a r t i f i c i a l r e e f c o n c r e t e w i t h s u l p h o a l u m i n a t e c e m e n t,m a r i n e s a n d a n d s e a w a t e r J.C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s,2 0 19,2 11.11 雷文，卢斌，顾大询，等.纳米二氧化硅改性硬质聚氨酯泡 沫塑料的研究J.聚酯工业,2 0 0 9,2 2（0 1）:3 2-3 5.12 杨雄军.纳米Si O 2/含氟丙烯酸酯复合乳液的制备与表征及 其疏水性能研