纳米替代资源对水泥基材料流变性能的影响

研发的新产品对掺纳米替代资源的水泥基材料进行有效分散，研究了纳米级替代资源材料对新拌砂浆或混凝土流变性能的影响。

研究结果表明，纳米二氧化硅颗粒会显著降低砂浆或混凝土的流变性能，而纳米替代资源对砂浆或混凝土的流变性能影响不

大,且能够显著增强混凝土的力学性能,15%掺量下28 d的抗压强度可提升17%。纳米替代资源在影响混凝土流变性能的可控前 提下,能够显著地增加混凝土的力学性能，具有广阔的应用前景。关键词：纳米替代资源；水泥基材料；分散剂；流变性能；力学性能中图分类号：TU528.041 文献标志码：A 文章编号：1002-3550(2019)12-0073-03Effect of nano-substitute resources on rheological properties of cement-based materialsGAO Ruijun，WUHao, WANG Ling，YAO Yan(State Key Laboratory of Green Building Materials，China Building Materials Academy，Beijing 100024, China)Abstract： The mechanical and durability properties of concrete can be improved effectively by nano-substitute resources(NSR).Aim-

ing at the problem that NSR are difficult to disperse in cement based materials，a new dispersant was used to disperse the cement-based materials doped with NSR.The effects of NSR on the rheological properties of fresh mortar or concrete were investigated.The results show

that the rheological properties of mortar or concrete can significantly be reduced by nano-silica while the effect is small by NSR.The com­pressive strength of concrete can be increased by 17% after 28 days when the dosage of NSR of 15%.The mechanical properties of concrete

can significantly be increases by NSR under the premise of controlling the rheological properties of concrete，so NSR has a broad applica­

tion prospect.Key words: nano-substitute resources ； cement based materials ； dispersant ； rheological properties ； mechanical properties0引言纳米材料是指由纳米结构单元组成的具有特殊性质

促进水泥水化产物的二次反应，改善了浆体或混凝土的微 观特性，宏观上提高了混凝土耐久性，但掺入的纳米材料

会显著降低混凝土的工作性，文章中却没有给出一个较好

的材料，三维空间尺寸上至少有一维处于纳米数量级尺寸 的解决方法。(1-100 nm)o纳米材料由于具有小尺寸效应、表面效应、量 子尺寸效应等特殊效应，广泛应用于医学、高分子材料、生 物、环境、锂电池等领域［1-5］，被誉为“1世纪最重要的战略 性高新技术材料之一”。近年来，随着纳米技术的快速发展, 纳米材料的应用也逐渐渗透到建筑材料领域W混凝土材

纳米材料由于粒径小，比表面积大,容易导致团聚，限 制了其在混凝土中的快速发展与应用。通常改善团聚的方

法有机械搅拌、超声分散、表面活性剂法［11-15］。机械搅拌法 和超声分散法可以短时间内快速分散纳米颗粒，但缺点是

容易再团聚，并且对于实际工程应用，过程复杂、成本过

料是土木工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料，具有 原料丰富，价格低廉,生产工艺简单、抗压强度高等特点。但混凝土的开裂、抗渗等耐久性是工程上最难以解决

高,实施起来有一定困难。目前应用较多的是机械分散和表

面活性剂组合法,张清岑［11］等利用一种超分散剂通过测量 分散体系的吸光度和zeta电位探讨了分散剂对纳米二氧 化硅体系分散稳定性的影响，并指出超分散剂在分散过程 中存在一个最佳浓度，依靠空间位阻作用进行分散。但通常 表面活性剂的引入会给纳米材料体系,尤其是纳米材料应

的问题，掺入纳米材料可以通过纳米颗粒的填充效应和微

集料效应改善混凝土的耐久性能。徐庆磊冏和王宝民阿等 研究了纳米SiO2材料对混凝土抗渗性能的影响，在研究的 过程中发现混凝土中的纳米材料通过填充和火山灰效应

收稿日期：2018-10-27用于水泥基材料领域中引入过多的气泡，影响混凝土的强

基金项目：国家重点研发计划资助(2017YFB0310100)；国家自然科学基金面上项目(51572251)；国家高技术研究发展计划(863计划)

(2015AA034701)-73 -度和耐久性吟。作者的前期研究工作中指出纳米替代资 源是表面带有一定电荷的纳米复合颗粒，通过研究纳米颗

粒表面电荷，利用相关的表面能作用原理、静电斥力原理 或空间位阻斥力作用等，采用两性纳米颗粒分散剂，有效

地提高纳米材料的分散效果［18］。因此，本研究主要采用两 性纳米颗粒分散剂，通过水泥浆体流动度、砂浆流变参数 以及混凝土流变参数等研究了纳米替代资源对水泥浆体

流动性的影响。1 试验部分1.1主要原料与仪器水泥:采用P-I型硅酸盐水泥，具体参照GB 8076—

2008(混凝土外加剂》附录A。砂子:符合GB/T 14684中II区要求的中砂，细度模数 为2.6~2.9,含泥量小于1%。石子:符合GB/T 14685要求的公称粒径为5~20 mm

的碎石，满足连续级配要求。纳米替代资源:浙江合力建材有限公司，主要为矿渣粉、 硅灰和白炭黑混合后经粉磨而得到，其中纳米替代资源的物 化性能、XRD及TEM见表1和图1。由表1和图1的结果可见

纳米替代资源的比表面积为3.12 m2/g，粒径大约为40 nm。表1纳米替代资源的物化性能样品 组成/%粒径名称矿渣粉硅灰白炭黑

/nm纳米替代资源75200ASiO2

vCaSO4-2H2O o Ca3Mg(SiO4)20

10

10

30

40 50 60 70 80

20/(。)(a)XRD(b)TEM图1纳米替代资源的XRD(a)和TEM(b)图聚羧酸系高性能减水剂:为两性聚羧酸减水剂，固含 量37%，其分子结构设计及制备方法参考文献［18］。1.2测试方法1.2.1D 水泥净浆流动度参照国家标准GB/T 8077—2012(混凝土外加剂匀质・74・性试验方法》,分别测试掺与不掺纳米替代资源的水泥净浆

流动度，纳米替代资源掺量分别为2%、5%、10%、15%、20%。

将水泥、纳米替代资源、减水剂和水加入搅拌锅内，开动搅 拌，将搅拌好的净浆注入截锥圆模内，提起后测定水泥净

浆在玻璃平面上自由流淌互相垂直的两个方向的最大直 径，取平均值即为水泥净浆流动度。1.2.2水泥砂浆流动度及流变参数测试参照GB/T 2419—2005(水泥胶砂流动度测试方法》测 定水泥砂浆流动度,砂浆水灰比为0.4,聚羧酸减水剂折固

掺量为0.16%。砂浆流变参数测试试验采用混凝土-砂浆

流变仪(型号:Viskomat XL，产地:德国)，试验采用如表2 的配合比，砂为天然砂，试验温度为20 °C。试验中，纳米替

代资源的掺量分别为5%、10%、15%、20%。通过仪器测量 得到扭矩随剪切速率的变化以及浆体的触变性。表2砂浆配合比设计

kg/m3编号水泥纳米替代资源砂子水外加剂1336.00600134.41.682319.216.8600134.41.683302.4

33.6600134.41.684285.650.4600134.41.685268.867.2600134.41.681.2.3混凝土性能测试参照GB/T 50080—2016(普通混凝土拌合物性能试验 方法标准》，混凝土配合比见表3所示，分别测试混凝土的

坍落度以及抗压强度试验。表3混凝土性能试验配合比kg/m3编号水泥砂子石子粉煤灰NSR减水剂水1470.05581D0828002.6615524.05581D0828027.52.661553415.0

5581D0828055.02.6615387.55581D0828082.52.66D1555360.05581D08280110.02.661552试验结果与讨论2.1纳米替代资源对水泥净浆流动度的影响

纳米颗粒由于粒径小，比表面积大，在水泥净浆中会由

于其较大的需水量而导致水泥净浆流动度下降。为了找到 纳米颗粒在水泥浆体中的最佳掺量，图2显示的内掺纳米替

代资源的水泥净浆流动度随纳米材料掺量的关系图。如图2 可见,纳米替代资源的掺入，虽在一定程度上降低了水泥净图2不同纳米材料及掺量对水泥净浆流动度的影响浆流动度，但在10%〜15%的掺量范围内，水泥净浆仍具有 净浆流动度却损失高达47%。这可能是由于在两种纳米材 料粒径相当的条件下,纳米替代资源的需水量更小，对水泥

较好的流动性能。纳米替代资源在15%掺量下，水泥净浆流

动度损失仅为20%,而纳米二氧化硅在3%的掺量下，水泥表4净浆流动度的影响更小，需水量验证试验结果如表4所示。%各原材料及产品的需水量比样品名称基准样100纳米SiO2（1%掺量）115矿渣粉（50%掺量）98硅灰（10%掺量）116纳米替代资源（15%掺量）100需水量比2.2纳米替代资源对水泥砂浆流动度和流变参数的影响为了更直接、更准确的获得纳米二氧化硅和纳米替代

资源对水泥基材料流变性能的影响，图3、4分别测试了水

泥砂浆流动度和水泥砂浆扭矩与纳米颗粒掺量之间的关

系。由图3可见,两种纳米材料对砂浆流动度的降低幅度有 显著不同，随着纳米二氧化硅掺量的增加,水泥砂浆流动

度急剧下降，在1%的掺量下,砂浆流动度损失高达46%o 随着纳米替代资源掺量的增加，砂浆流动度却呈缓慢下降

的趋势，在20%的掺量下,砂浆流动度损失仅为17%。这些 结果与水泥净浆流动度的结果相类似，并可由表4的结果 来进行解释。-b-S©

-•-NSR图3

不同纳米材料及掺量对水泥砂浆流动度的影响3

00O

2 5oo

S20oo日 ・

E15oosiio2siio2siio2衆1

asiio1% 22% 0OO

0 20406080剪切速率/rpm（a）掺纳米Si。?——NSR0 ---NSR5% •-…NSR10% -■-■NSR15% ——

NSR20%20406080剪切速率/rpm（b）掺NSR图4掺纳米替代资源砂浆的扭矩与剪切速率的关系图4分别为水泥砂浆扭矩随不同纳米颗粒掺量之间 的关系图，由图4可见，在同一剪切速率下，随着纳米二氧 化硅和纳米替代资源掺量的增加，砂浆的扭矩增加，表明

砂浆体系的黏度较大；随着剪切速率的增加，砂浆扭矩也

逐渐增加，并且扭矩的斜率逐渐变小，砂浆体系表现出“剪

切变稀”的流体特性。同时由图还可看出，水泥砂浆的触变 环面积随纳米二氧化硅和纳米替代资源掺量的增加而增

加，表明纳米颗粒在较高的掺量下,要打破砂浆体系固有 微观结构需要更大的能量。这是因为砂浆体系中的胶凝材

料和砂子相互胶结形成网络结构,随着纳米颗粒掺量的增 加,一方面纳米颗粒填充了体系中孔隙，提高了体系密实

度,另一方面纳米颗粒利用其自身的火山灰活性,提升了 其与胶凝材料和砂子之间的胶结强度，增大了体系网络结

构黏结力。当体系受到剪切作用时，这些网络结构顺着剪切 方向被拉伸,体系取向一致,黏度逐渐降低，所以砂浆体系

表现出“剪切变稀”的流变特性。2.3纳米替代资源对混凝土工作性能的影响混凝土工作性能及力学性能如表5所示。由表5可

见，混凝土坍落度随纳米替代资源掺量的增加呈现下降趋

势，并且混凝土的抗压强度也随纳米替代资源掺量的增加 而增强，15%掺量下28 d的抗压强度可增加17%。可见，纳 米替代资源在10%〜20%的合理掺量下，混凝土坍落度在的 合理的降低范围内，能够有效提升混凝土的抗压强度。表5混凝土工作性能和力学性能结果纳米替代资源 坍落度抗压强度/MPa掺量/%/mm3d7d28+d018053.25.7372.90

518252.2365.2678.651016850.62

67.3982.181516051.8169.2085.292016249.9667.8884.933 结论纳米二氧化硅对水泥净浆或砂浆流变性能影响很大,

1%的掺量下,砂浆流动度损失高达46%。掺纳米替代资源

的砂浆体系随剪切速率的增加，砂浆扭矩逐渐增加，体系 表现出“剪切变稀”的流体特性。纳米替代资源对砂浆或混 凝土的流变性能影响不大，且能够显著增强混凝土的力学

性能，15%掺量下28 d的抗压强度可提升17%。纳米替代

资源在影响混凝土流变性能的可控前提下，能够显著地增

加混凝土的力学性能，具有广阔的应用前景。参考文献：[1] GU Y,RAN Q P,SHU X,et al.Synthesis of nano SiO2@PCE core­

shell nanoparticles and its effect on cement hydration at early age[J].

Construction and Building Materials, 2016（114）： 673-676.•下转第79页・75・□□ ■ 3d 7d28d8高岭土掺量/%图10砂浆试件的吸水率没有显著地作用。整体来看,在高岭土含量8%以内,其对

聚羧酸减水剂的减水及分散作用并不会产生明显的影响，

也不会对孔隙率以及强度产生明显的副作用。虽然高岭土

对聚羧酸减水剂会有一定的吸附作用，但是由于高岭土内 部晶层之间主要是氢键和范德华力连接，作用力较强，聚

羧酸减水剂不能轻易进入的层间出现层间吸附，所以高岭

土对浆体内部结构较小冋。3 结论(1) 高岭土的存在会降低净浆的流动性。随着高岭土 含量的增加，流动度下降越大。同时，高岭土矿物会加剧流

动性损失，且减水剂浓度越低，高岭土导致的流动性损失

越大，即使用的聚羧酸减水剂浓度越小，高岭土对减水剂 改善流动性的效果影响越明显。(2) 高岭土对砂浆的抗压强度具有轻微的改善作用， 但是对砂浆的抗折强度的影响没有明显的规律。掺高岭土•上接第75页[2] ZAPATA L E,PORTELA G,SUAREZ O M,et al.Rheological per­

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中南大学学报,2005,36(2)： 225-228.的试件的吸水率并不会显著增加，高岭土的存在对孔隙率 没有显著副作用。(3)在高岭土含量在8%范围内，其对聚羧酸减水剂的 减水及分散作用并不回产生明显的影响，同时也不会对孔

隙率以及强度产生明显的副作用。参考文献：[1] 沙建芳，刘宏，徐海源，等.聚竣酸减水剂民用化存在问题及对

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互作用机理研究[J].硅酸盐通报,2017,36(4)： 1125-1142.第一作者：张士萍(1982-),女,副教授，博士，主要研究方向为水

泥混凝土材料的耐久性。联系地址：江苏省南京市江宁科学园弘景大道1号南京工程学

院建筑工程学院(211167)

联系电话：13770604152[12] 董建苗，马铭彬.分散方法对纳米SiO2增强水泥基材料性能的

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及水泥基复合材料力学性能的影响[J].混凝土,2015(8):71-73.[14] 董建苗,潘荣俊,龙世宗.纳米SiO2的分散程度对水泥基材料力

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the dispersion properties of nano-SiO2 particles[J].Journal of Applied Polymer Science, 2017, 134(29): 1-8.第一作者：高瑞军(1985-),男,工程师,主要从事高性能混凝土

及混凝土外加剂合成与应用工作。联系地址：北京市朝阳区管庄东里1号中国建材总院(100024) 联系电话： 15011261528-79 -