李绍纯;金祖权;赵铁军;于仓瑞
【摘 要】The effect of two different SiO2 sols (nano-silica) on the fluidity,setting time,and soundness of cement paste and tensile strength and compressive strength of the cement hardened paste were investigated carefully.The influencing mechanism on cement properties was analyzed with XRD.The results show that two SiO2 sols have nice adaptability to cement,and can significantly increase the mechanical properties of the Portland cement.The optimal amount is 1.5％ and 1.0％ of the mass of cement for JN-40 SiO2 sol and SP-40 SiO2 sol,respectively.The adding of SiO2 sol can effectively reduce the amount of portlandite in the cement hardened paste,so that the hydration can be accelerated.%初步研究了2种不同的硅溶胶对硅酸盐水泥浆体流动性、凝结时间、性以及对水泥硬化浆体的抗折强度和抗压强度的影响,并利用XRD分析了其对水泥性能的影响机理.结果表明,2种硅溶胶均具有良好的水泥适应性,能明显地改善硅酸盐水泥的力学性能,JN-40硅溶胶和SP-40硅溶胶的最佳掺量分别为1.5％和1.0％,硅溶胶的掺入能有效地减少水泥硬化浆体中氢氧化钙的含量,促进水泥的水化反应. 流感香囊【期刊名称】《新型建筑材料》
【年(卷),期】2013(040)006
【总页数】4页(P12-15)
【关键词】硅溶胶;硅酸盐水泥;力学性能
【作 者】李绍纯;金祖权;赵铁军;于仓瑞
【作者单位】青岛理工大学土木工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学土木工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学土木工程学院,山东青岛266033;北京星航机电设备厂,北京100074
【正文语种】米黄石中 文
【中图分类】TU528
酸性硅溶胶
近年来随着对水泥基体纳米级层次的深入研究，已有许多研究者对纳米SiO2改善水泥基材
料界面结构及相关的增强机理、增强规律开展探索研究[1-3]。纳米SiO2具有非常高的火山灰活性，能更有效地吸收水泥水化早期释放出的Ca（OH）2，改善水泥硬化浆体和骨料之间的界面，细化Ca（OH）2晶粒，而且纳米SiO2能够填充在更细小的空隙中，增加水泥基材料的致密度，从而大幅度提高水泥基材料的力学性能和耐久性能[4-9]。但是，纳米SiO2不易分散，掺入到水泥浆体中使凝结时间缩短，需水量急剧增加，这对于水泥基材料将产生不利的影响[10]。
硅溶胶是一种含有无定形、均匀分散的纳米级SiO2颗粒的溶液。析胶时，SiO2颗粒具有较高的活性，与某些无机盐生成新的硅酸盐无机化合物，并且胶体粒子能够牢固地附着在水泥基材料表面，与表面粒子形成硅氧键合。在热养护的环境下还可以形成凝胶，粘结和填塞水泥基体的缺陷。与纳米SiO2相比，硅溶胶具有分散性好和价格较低的优势[11-12]。
本文考察了市售和自制的2种硅溶胶对水泥浆体流动性、凝结时间和性的影响，并探索研究了不同硅溶胶的掺量对水泥硬化浆体力学性能的影响，分析了其增强机理。
1 实验
1.1 实验原料
水泥：青岛山水水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥，化学成分见表1。
表1 水泥的化学成分 %SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O 其它22.90 3.10 7.35 57.50 4.07 1.52 0.47 0.99 2.72
实验采用2种硅溶胶：一种为青岛海洋化工有限公司生产的JN-40硅溶胶，制备方法为离子交换法；一种为实验室自制的硅溶胶（SP-40），制备方法为水解法。2种硅溶胶的基本性能见表2。
表2 2种硅溶胶的基本性能粒径/nm JN-40 40.0 0.40 9.5 5.0 1.30 10～20 SP-40 40.0 0.10 10.0 8.0 1.28 5～10项目 SiO2含量/%Na2O含量/%pH值黏度/（mPa·s）密度/（g/cm3）
SP-40硅溶胶以正硅酸乙酯为主要原料，无水乙醇为溶剂，氨水为催化剂，通过水解法制得。制备流程见图1。
图1 SP-40硅溶胶的制备流程
1.2 实验方法
在水灰比为0.28的条件下，首先将硅溶胶加入到拌和水中搅拌均匀，然后再使用水泥净浆搅拌机将水泥和含硅溶胶的拌和水拌制成净浆，测试浆体的标准稠度用水量、凝结时间和性。然后，在40 mm×40 mm×160 mm的三联试模中注入上述净浆，插捣、振动并抹平，24 h后拆模，标准养护到3 d、7 d、14 d和28 d龄期，按水泥胶砂强度检验方法测试水泥硬化浆体的抗折和抗压强度。
水泥浆体的标准稠度用水量、凝结时间和性按GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、性检验方法》进行测试，水泥硬化浆体的力学性能按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试。
太阳能淋浴器1.3 主要仪器
采用NJ-160A水泥净浆搅拌机和水泥稠度/凝结时间测定仪测试水泥浆体有关性能。采用DY-208M全自动压力试验机测试水泥硬化浆体的抗折强度与抗压强度。采用X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）法确定 Ca（OH）2晶体含量与衍射峰相对强度值，所用仪器为Bruker D8S ADVANCE X射线衍射仪。
2 结果与讨论
2.1 硅溶胶对水泥浆体流动性的影响
硅溶胶掺量（按占水泥质量计，下同）对水泥净浆标准稠度用水量的影响见表3。
表3 水泥净浆标准稠度用水量注：①硅溶胶的掺量以固体计，下同。硅溶胶掺量①/%标准稠度用水量/ml JN-40 SP-40 0 138 138 0.25 137 137 0.50 139 139 0.75 138 138 1.00 140 140 1.25 137 137 1.50 141 141 2.00 138 138 3.00 140 140
由表3可见，纯水泥的标准稠度用水量为138 ml，2种硅溶胶的掺量对水泥浆体的标准稠度用水量影响不大。虽然纳米SiO2的需水量比水泥大，单纯采用纳米SiO2时需要按照其用量调整水的用量，但是在硅溶胶中的纳米SiO2由于处于液相的包裹中，此时并不会对水泥的用水量产生太大的影响。
2.2 硅溶胶对水泥浆体凝结时间的影响（见表4）碟片播放机
表4 硅溶胶掺量对水泥净浆凝结时间的影响硅溶胶掺量/%0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 2.00 3.00 JN-40 SP-40初凝/min 初凝/min 终凝/min终凝/min 250 340 250 340 250 340 390 500 245 335 340 435 242 330 320 420 238 325 295 400 231 320 280 380 225 310 3
65 455 220 300 265 365 215 290 255 350
从表4可以看出，JN-40硅溶胶能够缩短水泥的初凝和终凝时间，这是由于硅溶胶中的纳米SiO2具有极高的表面能，活性大，促进了水泥的水化反应。SP-40硅溶胶则延长了水泥的初凝和终凝时间，这是由于水解法硅溶胶中含有较多的无水乙醇，乙醇的存在影响了水泥的水化反应，从而延长了初凝时间和终凝时间。当硅溶胶掺量较小时，初凝时间与终凝时间较长；当硅溶胶掺量较大时，初凝时间与终凝时间则会缩短。这是由于当硅溶胶掺量较小时，乙醇抑制水泥水化反应的作用占主导地位；而当硅溶胶掺量较大时，纳米SiO2促进水泥水化反应的作用逐渐增强。
2.3 硅溶胶对水泥浆体性的影响
对硅溶胶掺量为0～3.00%的水泥净浆进行性实验，测试结果表明，掺加2种硅溶胶后，测试试件无翘曲、开裂等现象，对水泥性无不良影响。
2.4 硅溶胶对水泥硬化浆体力学性能的影响
2种硅溶胶掺量对不同龄期水泥硬化浆体抗折强度和抗压强度的影响分别见图2～图5。
图2 JN-40硅溶胶对水泥硬化浆体抗折强度的影响
图3 JN-40硅溶胶对水泥硬化浆体抗压强度的影响
图4 SP-40硅溶胶对水泥硬化浆体抗折强度的影响
图5 SP-40硅溶胶对水泥硬化浆体抗压强度的影响
鼠标笔
由图2、图3可以看出，对于JN-40硅溶胶，在水灰比为0.28，掺量为0～1.5%时，水泥硬化浆体的抗折强度和抗压强度均随着硅溶胶掺量的增加而提高；在硅溶胶掺量为1.5%～3.0%时，水泥浆体的抗折强度和抗压强度随着硅溶胶掺量的增加稍有下降。当硅溶胶掺量为1.5%时，3 d抗折强度与抗压强度分别比基准试件提高了71%和27%，28 d抗折强度与抗压强度分别比基准试件提高了75%和32%。另外，JN-40硅溶胶对水泥硬化浆体抗折强度的提高幅度要高于对抗压强度的提高幅度，说明其对水泥硬化浆体抗折强度的影响较大。
由图4、图5可以看出，对于SP-40硅溶胶，在水灰比为0.28，掺量为0～1.0%时，水泥硬化浆体的抗折强度和抗压强度均随着硅溶胶掺量的增加而提高；在硅溶胶掺量为1.0%～3.0%时，水泥浆体的抗折强度和抗压强度随着掺量的增加有所下降。当掺量为1.0%时，3
d抗折强度与抗压强度分别比基准试件提高了40%和14%，28 d抗折强度与抗压强度分别比基准试件提高了39%和25%。另外，SP-40硅溶胶对水泥硬化浆体抗折强度的提高幅度要同样高于对抗压强度的提高幅度，说明其对水泥硬化浆体抗折强度的影响较大。
对于上述实验结果可以作如下初步解释：（1）硅溶胶中的纳米SiO2具有较高的活性，能够与水泥的水化产物Ca（OH）2发生二次反应，生成具有一定强度的水化硅酸钙凝胶，从而提高水泥硬化浆体的强度；（2）硅溶胶中的纳米SiO2可以作为水泥硬化浆体内部孔隙的填充物，使微观结构更加密实；（3）当硅溶胶的掺量比较大时，会影响到水泥的水化反应，尤其是SP-40硅溶胶中含有较多的乙醇等物质，降低了水泥的水化程度，对水泥硬化浆体的强度不利；（4）硅溶胶在水泥体系中会成膜，形成硅-氧-硅无机膜层，这种成膜行为与高聚物涂料类似，该膜层对水化颗粒有一定的“阻隔作用”，导致水泥硬化浆体的强度有所下降。
