SiO2粉体对硅酸盐混凝土改性的研究

    程军 祝保林

    

    

    摘 ?????要：硅酸盐混凝土是建筑工程领域广泛运用的建筑材料，但是随着建筑施工的要求的进一步提升，硅酸盐混凝土的自身缺陷日益明显，这导致其应用范围推广受限。采用添加SiO2粉体对硅酸盐混凝土凝结时间性、安固性和抗折性的实验研究，以期在试验后硅酸盐水泥净浆、水泥胶砂、混凝土，以及浆体流动性，各项力学性都能有所提升。

    关 ?键 ?词：SiO2粉体;硅酸盐混凝土;混凝土改性

    中图分类号：TQ 172 ?????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）03-0474-04

    Abstract： Cement concrete is a building material widely used in the field of construction engineering. However， with the further increase of the requirements for building construction， the self-defect of cement concrete has become increasingly obvious， which has limited its application and promotion. In this experiment， SiO2 powders were used to modify the cement concrete， in order to improve the performance of portland cement paste， cement mortar and concrete， such as setting time， mechanical performance， slurry fluidity and so on.

    Key words：SiO2 powder;Silicate concrete;Concrete modification

    硅酸鹽混凝土材料主要是由水泥、外掺的细骨料、矿物掺合料、水以及其他化学外加剂按一定的比例配料，经过搅拌、成型、凝固、养护而成的具有实际要求规格的复合材料，具有高强度、高工作性、抗压、稳定、耐久、成本低廉等优点[1，2]，已经成为水利建设、土木工程、交通设施等现代工程建设的重要建筑材料。随着工程工艺和科学技术的发展，水泥混凝土不仅要保证高强度、高性能、耐压、耐久等性质进一步提升，还要能满足一些极端的施工条件，例如潮湿环境甚至水下施工时，需要凝结时间短、性能优异的混凝土。近年来通常是向混凝土中添加化学外加剂逐渐成为增强混凝土各方面性能的有效手段，随着加工工艺的不断完善，化学外加剂的研制已取得了显著的成果，混凝土外加剂种类也不断更新，而SiO2粉体对新型混凝土性能品质提升的研究十分稀少。本文研究SiO2粉体对硅酸盐水泥、胶砂、混凝土特性的影响。

    1 ?SiO2粉体

    SiO2粉体是一种白色、无毒、无味、无定型，呈粉末状，无机非金属固态物质。SiO2粉体的表面还带有吸水性羟基基团，具备化学吸附性，俗称“白炭黑”，显微结构为球型[3]，呈现网状和絮状结构，与大颗粒SiO2相比，SiO2粉体一般具有诸多其他结构材料无法媲美的特点，例如，表面积大、粒径尺寸小、密度小、易分散性、软磁性和SiO2本身所具备的优异的耐高温性和化学稳定性[4]。依据SiO2这些特性在材料制造中的应用可以制造出吸附化学元素、色素离子和降低色素衰减的特殊材料以及提升材料的强度和耐久度等。

    2 ?试验内容

    2.1 ?主要原料，化学外加剂

    原料： 尧柏牌水泥，渭南，富平，陕西实丰水泥股份有限公司;标准河沙;蒸馏水，拌和用水（本实验采用蒸馏水作为水泥固体养护用水，实验室用自来水作为拌和用水）;外加剂：SiO2粉体（分析纯），上海泡化碱厂。

    2.2 ?试验使用主要仪器设备

    行星式胶砂搅拌机：JJ-5型，无锡市迈方仪器设备有限公司;水泥胶砂流动度测定仪：NLD-3型，常州安尔泰仪器设备制造有限公司;标准恒温恒湿养护箱：YH-40B型，常州安尔泰仪器设备制造有限公司;数显砂浆凝结时间测定仪：SN-100型，常州安尔泰仪器设备制造有限公司;电动抗折试验机：DKZ-6000型，天津市中交路业工程仪器有限公司。

    2.3 ?试验方法与步骤

    2.3.1 ?水泥净浆、水泥胶砂、混凝土制备方法

    （1）水泥净浆的制备

    使用水泥净浆搅拌机搅拌时，称取水灰质量比为0.5的水泥和适量的拌和用水，以及相应百分比的外加剂，搅拌开始前先用湿抹布将搅拌叶片和搅拌锅擦湿，为防止溅出将水泥和拌和用水缓慢倒入搅拌锅中;再将搅拌锅在锅座上固定好并上升至指定位置，打开电源，启动搅拌机先调至低速档位搅拌2 min，暂停15 s，暂停期间将叶片与锅壁上的水泥浆刮下，再调至高速档位搅拌2 min完成，完成搅拌并关闭电源;最后将搅拌完成的水泥净浆加入到试模中，使用刮刀插捣数次、在振实台上振动25次，使水泥净浆充分填满试模，抹平。

    （2）水泥胶砂的制备

    试验依据GB/T7671-1999《胶砂的制备》，水泥、标准沙、水的比例为（单位：g）450±2：1 350±5：225±1。试验时，先称取规定重量的标准河沙、水泥、二氧化硅倒入容器中，再把称好的药品与原料进行均匀干混，最后将称取试验所用的拌和自来水倒入容器中，再次搅拌均匀，倒入模具中插捣数次，放至振实台上振动25次，抹平。

    （3）水泥混凝土的制备

    试验混凝土的制备：水泥、标准沙、石子、水的比例为：1：1.37：2.78：0.46。试验中所用石子的直径大小均为0～1 cm之间。称取一定质量的水泥、标准河沙和石子，再称取相应质量的外加剂一并放入容器中，用刮刀搅拌均匀，最后称取、加入试验用水，搅拌均匀。将制得的水泥混凝土分2次加入到模具中，首先加入到2/3处，用捣棒敦实，再加第2次，同样用捣棒敦实，最后将其放到振实台上震动25次，抹平。

    （4）模块成型及养护

    将制得的模型放置在温度（21±1）℃，湿度50～60的环境中静置（24±2）h，将成型试件从模具中取出，放入装有（21±1）℃水的水箱中养护（24±2）h，最后将试件从水箱中取出放在（20±1）℃，湿度84%RH以上的恒温恒湿标准养护箱中养护7 d。

    2.3.2 ?标准稠度用水量测定及水泥净浆流动度、凝结时间测定

    （1）标准稠度用水量测定

    称取500 g水泥与一定量的水，测试试模制备与上述制备方法相同，在搅拌完成后，立即将拌制完成的水泥净浆装入放置好的实验模具中，进行数次轻微捣实和震动 ，并刮去多余水泥净浆，使用水泥标准稠度及凝结时间测定仪（维卡仪）进行实验测定，具体实验方法及步骤参照国家标准JTG E30-2005，T 0505-2005 《水泥标准稠度用水量，凝结时间，安定性检验方法》，试模制成后将试模连同玻璃板一起放到调好的维卡仪台架上，调零步骤完成，调节指针与水泥净浆表面接触后，拧紧螺丝，然后迅速松开螺丝，使滑杆自由下落，当滑杆停止下落或松开螺丝30 s后，读取指数。当指数为（6±1）mm时，使用维卡仪测定可知，本次实验中水泥标准稠度用水量应为：水泥500 g时， 拌和用水175 g;水泥净浆流动度，凝结时间的测定也依据此国家标准，即在水灰比为0.35的条件下完成上述实验。

    （2）水泥净浆凝结时间、流动度的测定

    水泥净浆凝结时间的测定方法标准与上述标准稠度用水量测定方法相同，流动度的测定方法则按照GB/T8077-2000《混凝土外加剂均质性试验方法》标准进行实验操作。

    2.3.3 ?试件测试方法

    （1）水泥净浆、胶砂、混凝土抗折性能试验

    进行实验测试所用的试件标准是40 mm×40 mm×160 mm的立方体块，测试仪器为DKZ-6000型电动抗折试验机。依据公式：

    Rf=1.5FfL/b3

    式中： Rf—抗折强度，MPa/mm2;

    Ff—折断时的载荷，N;

    L—支撑圆柱之间的距离，mm;

    b—试件断裂面垂直方向截面边长，mm。

    （2）安定性的测定

    根据T505-2005规定，探讨不同百分比SiO2粉体对水泥净浆安定性的影响。试验仪器为LD-50型雷氏夹测定仪。

    2.3.4 ?实验结果讨论分析

    （1）水泥净浆流动度，凝结时间测定

    本实验制备的高性能水泥净浆、砂浆、混凝土作为胶凝材料使用，SiO2粉体按照占硅酸盐水泥质量百分比的0.3%、0.5%、0.7%、1%分别添加，适当调节用水量控制水灰比。

    数据分析：由表1能够清楚的看出，随着SiO2粉体的含量增加，水泥净浆的流动度减小。由于SiO2粉体表面活性，以及SiO2比表面积大、粒径尺寸小的特性，加速了水泥水化反应，同时细小的SiO2粉体能够起到填充效应，这使得水泥颗粒之间接触紧密，粘结力高，故流动度降低。随着SiO2粉体加入量的增大水泥净浆流动度明显减小。

    数据分析：通过表2可以知道，SiO2粉体的含量增大时，水泥净浆的初凝时间降低，这是由于SiO2粉体的早强剂作用，加快了水泥的硬化速度。当掺量达到1%后，其初凝时间基本保持不变，终凝时间也相应减少，但是相比于初始水泥凝结时间仍有所延长，这是因为过多的加入SiO2粉体激发了水泥矿物掺合料的活性，并与活性氧化物发生了二次水化反应生成了新的水化产物，起到了缓凝剂作用，导致凝结时间变长。

    （2）水泥胶砂的流动度，凝结时间测定

    由表3可以看出随着SiO2粉体加入量的增大胶砂流动度明显减小，主要原因是SiO2粉体的加入促进和加速了水泥的水化反应，产生大量胶体物质。并且SiO2粉体与CH产生反应生成了C-S-H胶体使水泥胶砂流动性变差，SiO2粉体的加入起到了早强剂作用，其现象表征与水泥净浆保持一致。

    数据分析：依据图1所示SiO2粉体加入后胶砂凝结时间有了明显缩短，并且随着加入量的增大凝结时间逐渐缩短，这是由于SiO2粉体的参入使C-S-H胶体粒子的集结速度加快，细小的SiO2粉体颗粒不仅可以填充水泥颗粒与水泥颗粒之间的空隙，还能为水泥的水化反应提供晶核，增加了反应面积，所以水化反应速度加快，起到促进凝结的作用，凝结时间因此缩短，SiO2的引入起到了早强剂的作用[5]。

    （3）安定性测定

    水泥安定性是指水泥在硬化过程中体积的变化情况，如果水泥在硬化后出现体积的收缩或膨胀，则水泥的安定性不稳定，会造成混凝土构件产生裂痕，尤其是有基础约束、体积较大的混凝土，其影响着建筑物质量安全，造成危害。根据T505-2005进行测定。

    数据分析：由表4所示水泥净浆在加入百分比逐渐增大的SiO2粉体后安定性依然良好，不会在实际应用中造成工程质量损害。

    （4）抗折强度测定

    测定砂浆的抗折强度时釆用棱柱体试块，将试验龄期满的试件块按照预先标识的编号按次序从标准养护箱中取出，用干抹布擦干表面水分，进行抗折强度测试，当仪器将其拉成两小段后，记录数据并取其平均值。本实验中的抗折强度试验机采用DZK-6000型水泥电动抗折试验机进行试验。

    数据分析：SiO2粉体的加入对水泥净浆、胶砂、混凝土的抗折强度影响不大，当SiO2粉体加入量为0.3%时，水泥净浆、胶砂和混凝土与标准样相比的抗折强度均有所提升，但变化量不大;当SiO2粉体加入量继续增大到0.5%、0.7%和1%时水泥净浆和混凝土的抗折强度减小，虽然胶砂的抗折强度有所增强，但总的强度变化量仍然不大。由此可见，SiO2粉体在本次实验中主要起早强剂的作用，在水泥净浆、胶砂和混凝土的早期强度中起重要作用，在后期强度上影响不大。

    3 ?结 论

    通过实验表明，SiO2粉体改性硅酸盐混凝土流动性、凝结时间和基本力学性能（抗折性能）显著。

    在胶凝材料、细骨料等组分比例不变的前提条件下，掺入0.3%～1%的SiO2粉体，并把水灰比控制在0.5时，砂浆组综合性能表现最为优异，可满足实际建筑施工工程的需要。

    参考文献：

    [1]王宝民. 纳米SiO2高性能混凝土性能及机理研究[D]. 大连理工大学， 2009： 1- 5.

    [2]路阳， 卢军太， 何小芳， 等. 纳米二氧化硅的制备及其对水泥水化影响的研究进展[J].硅酸盐通报， 2013， 32（7）： 1335- 1336.

    [3]伍林， 曹淑超， 易德莲， 等. 纳米二氧化硅的制备进展[J]. 中国粉体技术， 2004， 10： 55- 56.

    [4]周美珍， 叶楠. 纳米二氧化硅的应用进展[J]. 白城师范学院学报， 2017， 31（6）： 7- 8.

    [5]張付东.普通硅酸盐水泥基高性能凝结研究[J]. 当代化工， 2014， 8（8）：1540- 1542.