纳米SiO2改性纤维增强普通硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥复合材料早期性能及微观结构

为优化纤维增强普通硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥复合材料(OPC-CSA-ECC)的性能,拓宽纳米SiO₂的应用范围,本文系统探讨了纳米SiO₂对OPC-CSA-ECC凝结时间、强度和韧性的影响,并结合XRD和SEM分析了体系的微观结构和改性机制。结果表明:纳米SiO₂缩短了复合胶凝体系的凝结时间,且掺量越大凝结时间越短;纳米SiO₂可提高OPC-CSA-ECC的强度和韧性,纳米SiO₂的适宜掺量在1.5%(质量分数),对应的7 d和28 d龄期抗压强度分别为59.1 MPa和85.4 MPa,等效弯曲韧性分别为195.82 kJ/m³和256.51 kJ/m³。纳米SiO₂没有改变水化产物的种类,但促进了C-S-H凝胶生成且消耗了部分portlandite晶体。SiO₂通过提高基体密实度增大了基体与纤维之间的粘结性能,有助于应变硬化行为的实现。     

纳米SiO2对水泥浆体孔隙和微观力学性能的影响

为了研究不同纳米SiO₂掺量对硬化水泥浆体孔隙率与微观力学性能的影响,采用压汞实验,纳米压痕测试与GMM法获得了水泥浆体的孔隙率,压痕模量,硬度与各水化产物相的分布,并使用XRD与SEM表征了各性能最优样品的表面形貌与内部产物。试验结果表明,养护龄期为28天时,与空白对照组相比,当纳米SiO₂的掺量质量分数为1%、2%和3%、4%时,水泥样品总孔隙率分别降低了14.07%,16.67%,26.83%和7.43%,LD C-S-H与HD C-S-H的含量之和分别为对照组的99.34%,101.34%,117.48%和113.33%。但当纳米SiO₂的掺量质量分数为4%时,水泥样品的孔隙率比其他掺纳米SiO₂的样品更高,且与纳米SiO₂掺量质量分数为3%时相比,未水化的产物相也较多。纳米SiO₂可以充分发挥成核效应和火山灰效应,生成更多的C-S-H并改变硬化水泥浆体的微观形貌,从而有效降低水泥浆体的孔隙率并提高其微观力学性能。     

掺花岗岩石粉的管桩高强混凝土微结构和力学性能研究

本文采用蒸压养护方式制备管桩高强混凝土,以相同配合比的标准养护混凝土为对比组,分别研究磨细砂和石粉双掺时石粉取代率(花岗岩石粉/(花岗岩石粉+磨细砂),质量比)和石粉单掺时石粉掺量(花岗岩石粉/(花岗岩石粉+水泥),质量比)对管桩高强混凝土强度的影响,并通过XRD、ESEM等方法研究掺花岗岩石粉的管桩高强混凝土水化产物的种类及形貌特征。结果表明:蒸压养护下,混凝土强度随石粉取代率和石粉掺量的增加均先增大后减小, 石粉取代率为25%和石粉掺量为20%时混凝土强度分别达到最大值。由于花岗岩石粉中的SiO₂在蒸压条件下会与水泥水化产物Ca(OH)₂发生火山灰反应并生成托勃莫来石,使混凝土更为密实,因此相同配合比条件下蒸压养护3 d的混凝土强度高于标准养护28 d的混凝土强度。     

纳米SiO2和丁苯胶粉复合改性水泥基材料的强度及抗渗性能

本文研究了单掺丁苯胶粉(SBR)和复掺SBR/纳米SiO₂(NS)对水泥基材料抗折强度、抗压强度、吸水率、抗氯离子渗透系数的影响规律,并采用XRD、DSC-TG、FTIR、SEM-EDS、MIP等手段对水泥基材料水化产物和微观结构进行分析,探究单掺SBR和复掺SBR/NS对水泥基材料强度及抗渗性能的影响机理。结果表明,复掺SBR/NS显著改善了由单掺SBR引起的水泥基材料早期强度下降的问题,单掺SBR和复掺SBR/NS均可降低试样的吸水率、吸水速率和非稳态氯离子迁移系数,且复掺效果优于单掺。微观测试表明:单掺SBR可降低Ca(OH)₂的含量,减少有害孔和多害孔的数量,增加结构整体性;复掺SBR/NS可进一步降低Ca(OH)₂的含量,促进水化反应生成更多C-S-H,提高C-S-H的聚合度,降低最可几孔径,减少少害孔、有害孔和多害孔的数量,降低水化产物的钙硅比,从而增强试样的抗折强度和抗压强度并提高其抗渗性能。     

纳米SiO2对粉煤灰陶粒混凝土的力学与耐久性能的影响分析

为研究纳米SiO₂对粉煤灰陶粒混凝土的力学与耐久性能的影响,制备未掺加纳米SiO₂以及纳米SiO₂掺量为1.5%、3%、4.5%和6%的粉煤灰陶粒混凝土试件,测试它们的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、抗氯离子渗透性能以及抗冻性能。研究结果表明：在不同养护龄期下,粉煤灰陶粒混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度以及抗折强度均随着纳米SiO₂掺量的增大出现先增大后减小的变化规律;纳米SiO₂掺量为1.5%、3.0%、4.5%以及6.0%时,粉煤灰陶粒混凝土的电通量将比未掺加前分别减小38.0%、61.1%、54.1%以及35.2%;纳米SiO₂掺量为3.0%时,160次冻融循环后粉煤灰陶粒混凝土的质量损失率最低,为1.21%,相对动弹性模量最大,为73.7%;掺入少于4.5%的纳米SiO₂均有助于提高粉煤灰陶粒混凝土的力学与耐久性能,但从性价比角度考虑,则建议纳米SiO₂掺入量为1.5%～3.0%。     

钾基碱性电解水对粉煤灰混凝土性能的影响

碱性电解水具有高活性、强碱性、强离子性和吸附性等优点。利用碱性电解水作为拌合水制备不同取代率的粉煤灰混凝土,系统研究碱性电解水对粉煤灰混凝土的工作性能、力学性能和抗氯离子渗透性能的影响,并结合X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和差热分析试验(TG/DTA)分析碱性电解水混凝土的水化产物及微观结构形貌。结果表明:碱性电解水能够促进混凝土中水泥早期水化反应,改善混凝土的工作性能,除了生成更多的C-S-H凝胶体和Ca(OH)₂等水化产物外,还生成了钾长石,降低了孔隙率,提高结构密实度,改善了混凝土的力学性能和抗渗性能;同时,碱性电解水在一定程度上可以激发粉煤灰的早期活性效应,使得粉煤灰玻璃体网络结构加速断裂,粉煤灰中的SiO₂和Al₂O₃大量溶出与混凝土中的水化产物Ca(OH)₂发生二次反应,生成更多的硅酸钙和铝酸钙等胶凝性产物。相较于普通自来水混凝土,当粉煤灰取代率为20%和30%(质量分数)时,碱性电解水混凝土的56 d抗压强度分别增长了8.7%和3.5%。     

活化煤矸石水泥水化机理与性能研究

近些年来,水泥的低碳化成为国内外的研究热点,利用活性矿物掺和料取代水泥是一种有效降低CO₂排放量的方法。为验证活化煤矸石作为水泥矿物掺和料的可行性,研究了活化煤矸石对水泥流变性能、力学性能、水化产物及水化程度的影响,揭示了水胶比、龄期及活化煤矸石掺量等对水泥胶砂试件抗压和抗折强度的影响,并利用XRD、SEM和TG/DTG等表征活化煤矸石对水泥水化产物和微观结构的影响。结果表明,活化煤矸石水泥的流变性能对水胶比的变化更加敏感。将活化煤矸石掺入水泥中,能够有效降低水泥早期的水化速率。活化煤矸石含有大量的活性SiO₂和Al₂O₃,具有很强的二次水化反应活性。二次水化产物水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶能够填充水泥机体的孔隙,提升水泥基体的强度。与掺30%(质量分数)石英粉的试件相比,掺30%(质量分数)活化煤矸石试件的28 d抗折和抗压强度分别提升了11.69%和11.82%。     

养护措施和湿养护时间对掺与未掺矿渣混凝土性能的影响

研究了采用湿棉絮覆盖、喷养护剂、塑料薄膜密封3种养护措施对混凝土强度、收缩、中心温升、氯离子渗透性的影响,并通过不同龄期强度、氯离子渗透深度(5%NaCl溶液介质,质量分数)、钢筋腐蚀电位、加速腐蚀保护层开裂时间研究湿养护时间(1,7,14d和28d)对未掺和掺矿渣(等量取代水泥40%,质量分数)混凝土强度、抗渗性、护筋性的影响.结果表明:合适的养护措施能有效提高混凝土强度和抗渗性,降低水化温升和早期收缩.对未掺与掺矿渣的混凝土,更长的湿养护有助发展更高强度、耐久性和护筋性;而不充分养护导致混凝土较差的抗渗性和护筋性,该影响对掺矿渣混凝土尤为明显.7d湿养护对掺矿渣混凝土发展更高的潜在抗渗性是不够的.     

碱性和无碱液体速凝剂促凝早强作用机理对比研究

碱性和无碱速凝剂掺入水泥后的水化机理不同,导致应用性能存在明显差异。本文通过测试凝结时间和砂浆抗压强度等宏观性能对比了两种速凝剂的应用性能,并通过水化放热分析、XRD定量分析、热重分析和SEM微观形貌观察等微观方法综合分析了两者的早期水化历程。结果表明:碱性速凝剂加入水泥后,[Al(OH)₄]^-加快了水泥中石膏的消耗速度,水化初期生成大量钙矾石(AFt),促进了硅酸三钙(C₃S)矿物的水化,缩短了水泥浆体的凝结时间并提高了砂浆的早期抗压强度,但石膏的加速消耗也使得单硫型水化硫铝酸钙(AFm)和水化铝酸钙(C-A-H)等水化产物提前生成,影响了水泥基材料的后期抗压强度发展;无碱速凝剂加入水泥后,[Al(OH)₄]^-和SO^2-₄在液相中生成了大量AFt,促进了铝酸三钙(C₃A)和C₃S矿物的水化,影响了氢氧化钙(CH)的结晶析出。值得注意的是,SO^2-₄不仅促进了C₃A生成AFt的过程,也延缓了水泥中石膏的消耗及AFm和C-A-H等产物的生成,因此无碱速凝剂的加入除了明显提高早期抗压强度外,后期28 d抗压强度也不受影响。     

纳米二氧化硅改性混凝土宏观性能及微观调控机理分析

系统研究了纳米SiO2对水泥净浆流动性、水泥砂浆强度、混凝土强度和动弹性模量、混凝土渗透性能的影响,并采用X射线衍射(XRD)分析了不同掺量纳米SiO2对混凝土不同水化阶段水化产物的影响规律,同时借助电镜扫描(SEM)分析了水化产物微观结构受到的影响,从宏观性能和微观机理两方面探讨了纳米SiO2对水泥基材料的影响.结果表明,纳米SiO2会影响水泥水化尤其是早龄期水化速度,从而提高混凝土和砂浆强度,提高混凝土的抗渗性能,降低混凝土的动弹性模量.一定范围内,随着纳米SiO2掺量的增加,水泥水化产物受影响的程度逐渐增大,通过XRD和SEM分析水化产物微观结构变化规律,发现与宏观力学性能和耐久性能吻合较好.纳米SiO2本身的特性(粒径大小、表面活性、分散性能等)决定其对水泥水化过程和产物的影响程度.     

CO2养护压力对植生混凝土碱度及力学性能的影响

本文研究了植生混凝土的碱度及力学性能随CO₂养护压力的变化规律，并结合X射线衍射定量相分析(XRD-QPA)、热重分析(TGA)及扫描电子显微镜(SEM)等方法，探讨了CO₂养护压力对反应速率及产物生成的影响。结果表明：增大CO₂养护压力可提高硅酸三钙(C₃S)、硅酸二钙(C₂S)及氢氧化钙(CH)的碳化速率，同时可快速生成碳化致密层，有利于延缓CH的生成与溶出；碳化反应生成的碳酸钙(CaCO₃)及水化硅酸钙(C-S-H)凝胶增大了水泥石密实度，可有效提升植生混凝土的抗压强度。与常压CO₂养护相比，在CO₂养护压力为0.3 MPa的条件下养护1 h,植生混凝土3 d抗压强度提高了72.8%,28 d抗压强度提高了4.8%,28 d的pH值由11.4降低至8.2。适度提高CO₂养护压力对植生混凝土降碱和增强效果良好。     

纳米二氧化硅粉末对水泥-粉煤灰体系泡沫混凝土力学性能及水化的影响

利用X射线衍射、热重分析、扫描电镜等手段研究了纳米SiO2(NS)对水泥-粉煤灰体系泡沫混凝土水化及性能的影响.结果表明:NS的掺入会促进泡沫混凝土中硅酸盐矿物的水化,密实水化产物的微观结构.掺入NS的水泥-粉煤灰体系泡沫混凝土试样3 d和28 d抗压强度增长都大于单一水泥组份的泡沫混凝土试样,水泥-粉煤灰体系泡沫混凝土试样3 d强度提高了6.3％,28 d强度提高了4.6％.     

纳米硅粉改良碱渣-矿渣固化淤泥的抗硫酸镁侵蚀性能

利用纳米硅粉对碱渣-矿渣固化淤泥抗硫酸镁侵蚀性能进行改良，对MgSO₄溶液浸泡后的固化淤泥试样开展无侧限抗压强度、核磁共振和X射线衍射试验，研究硅粉掺量、养护龄期、浸泡时间对固化淤泥强度的影响规律及其微观机理。研究表明：在标准养护条件下，当硅粉掺量为3%(质量分数)时固化淤泥试样的孔隙体积最小，无侧限抗压强度最大，生成水化铝酸钙等产物。在MgSO₄侵蚀环境下，标准养护7 d试样具有很好的抗侵蚀能力，当硅粉掺量为3%(质量分数)时固化淤泥抗MgSO₄侵蚀能力最好，无侧限抗压强度随浸泡时间的增加而增大；标准养护28和60 d时，固化淤泥抗MgSO₄侵蚀能力减弱。建立了固化淤泥无侧限抗压强度与硅粉掺量及浸泡时间的关系式，预测了最危险条件和最低强度。适量的纳米硅粉可增加固化淤泥中水化速度和程度，减少钙矾石的生成量及其不利影响，达到提高碱渣固化淤泥抗MgSO₄侵蚀性能的目的。     

基于抗氯离子渗透性的复合胶凝材料组成设计与性能

通常采用大量掺加辅助性胶凝材料的方式提高胶凝材料的抗Cl^–渗透性能，进而提升混凝土结构的耐久性和服役寿命，但会显著降低早期力学性能。为提高早期强度和抗Cl^–渗透性能，基于初始浆体密堆积与水化过程孔隙有效填充，设计细、中、粗粒度区间胶凝材料的种类和掺量，提高浆体的初始堆积密度和水化产物固氯能力，从而细化孔径并增大孔隙曲折度，采用59%的水泥熟料(粒径范围4～55μm)，成功制备了3 d抗压强度27.3 MPa、28 d Cl^–扩散系数低至0.36×10^–12 m²/s的高抗渗透复合胶凝材料，为水泥基材料微结构调控和抗渗性能提升奠定基础。     

纳米SiO2对氧化镁激发矿渣材料性能的影响试验研究

为改善MgO-激发矿渣材料(MASM)力学性能,利用纳米SiO₂(NS)促进MASM的强度发展,研究了不同NS掺量对MASM凝结时间、抗压强度、水化历程、水化产物和微观形貌的影响,分析并揭示了NS的作用机理。研究结果表明:随着NS掺量的增大,MASM凝结时间逐渐缩短,流动度逐渐减小;NS掺量越大,矿渣水化越快,主要水化峰出现越早,峰值越高。NS不仅促进了MgO的反应和C-(A)-S-H的形成,还提高了MASM的结构密实性。掺入1%~2%(质量分数)的NS,可将MASM的抗压强度分别提高7.12%~33.37%(3 d)、12.44%~26.29%(7 d)、12.49%~31.09%(28 d)。     

超细水泥-硅灰二元低pH注浆材料特性研究

采用简化磨碎溶出法测试了硅灰(SF)掺量为30%～50%(质量分数，下同)、水胶比为1.4的超细水泥(SC)注浆材料结石体在不同龄期的pH值，探讨SF掺量、SiO₂含量和C-S-H凝胶理论钙硅摩尔比对注浆材料pH值的影响，并测试了60%SC+40%SF低pH注浆材料的流变性能和力学性能，同时利用SEM、XRD、TG表征手段分析了结石体的水化产物和微观结构。结果表明，当SF掺量大于40%、SiO₂含量大于50%、C-S-H凝胶钙硅摩尔比小于0.8时，结石体pH值小于11.00。萘系减水剂(SP)能显著降低浆液的马氏漏斗黏度，SP适宜掺量为1.6%。宾汉姆模型能够很好地描述浆液流变性能。水胶比的提高对结石体抗压强度有不利影响，因此水胶比不宜超过1.6。由于SF具有火山灰效应和稀释效应，养护180 d后结石体内不存在Ca(OH)₂,其主要水化产物为低钙硅比的C-S-H凝胶和钙矾石。     

不同温度下矿渣对铝酸盐水泥早期水化行为的影响

通过凝结时间、抗压强度、电阻率、浆体内部温度测试和水化产物分析,研究了20 ℃、35 ℃和50 ℃下矿渣(GGBFS)对铝酸盐水泥(CAC)早期水化行为的影响。结果表明,掺入矿渣会逐渐减小CAC 72 h的化学收缩,降低化学收缩速率峰值。20 ℃时,电阻率变化曲线出现了明显的晶相转变期,化学收缩曲线存在明显的诱导期; 35 ℃时,凝结时间延长,掺入矿渣抑制了电阻率的发展;50 ℃时,电阻率在接近24 h时显著降低,凝结时间显著缩短,掺入矿渣缓解了24 h电阻率的减小。矿渣-铝酸盐水泥体系的水化产物和抗压强度受养护温度的影响较大。20 ℃时,掺入40%(质量分数)矿渣减少了CAH₁₀的生成量,降低了硬化浆体的强度;35 ℃和50 ℃时,1 d水化产物主要为C₂AH₈和少量C₃AH₆,掺入矿渣延缓了强度的倒缩。在28 d龄期时,不同养护温度下掺入矿渣均能促进C₂ASH₈的生成。     

水泥熟料矿物组成对混凝土抗碳化性能的影响

本文以四种熟料矿物组成不同的P·Ⅱ42.5R水泥、Ⅱ级粉煤灰和石灰石粉为胶凝材料，配制成三个混凝土系统：纯水泥系统A、掺粉煤灰系统B和掺石灰石粉系统C。A系统进行(20±2)℃、相对湿度大于95%的标准养护，B和C进行(15±1)℃、相对湿度(60±5)%的非标准养护。养护28 d后，进行加速碳化试验。试验得出的结果为：在温度(20±2)℃、相对湿度≥95%的标准养护条件下，高C₂S含量的水泥配制成的混凝土试件具有更好的抗碳化性能；在温度(15±1)℃、相对湿度(60±5)%的非标准养护条件下，水化更快的高C₃S含量的水泥配制成的混凝土试件相对而言具有较好的抗碳化性能。提高混凝土抗碳化性能要做好养护工作。     

SiO2/Zn2SnO4/环氧丙烯酸酯涂层的阻燃性能

为了探究复合纳米颗粒对环氧丙烯酸酯（EA）涂层阻燃性能的影响，以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和正硅酸乙酯（TEOS）为原料合成了介孔二氧化硅纳米颗粒，以ZnCl₂和SnCl₄·5H₂O为原料合成了锡酸锌（Zn₂SnO₄）纳米颗粒，将它们复合制成了介孔二氧化硅/锡酸锌复合纳米颗粒（SiO₂/Zn₂SnO₄），并用X射线粉末衍射仪（XRD）、透射电镜（TEM）对其表征。将所制的纳米颗粒（介孔SiO₂、Zn₂SnO₄、SiO₂/Zn₂SnO₄）与丙烯酸、丙烯酰胺、EA复合，经UV光固化制备出3种涂层（SiO₂/EA、Zn₂SnO₄/EA、SiO₂/Zn₂SnO₄/EA），通过紫外-可见光谱仪、差示扫描量热仪（DSC）及氧指数测定仪等对涂层的透光率、热稳定性、阻燃性能进行测试。结果表明：SiO₂/Zn₂SnO₄/EA涂层的综合性能较佳，当SiO₂/Zn₂SnO₄质量分数为4.85%时，该涂层的热稳定性及阻燃性能最佳，其极限氧指数、燃烧级别、残炭率（500℃下马弗炉煅烧）和硬度分别为31、V-0、17.32 % 及6H。     

水泥基渗透结晶型防水材料和纳米二氧化硅改性混凝土自修复性能的研究

为研究水泥基渗透结晶型防水材料(CCCW)与纳米二氧化硅(NS)对混凝土自修复性能的影响,制备了基准混凝土、单掺3％ CCCW、复掺3％ CCCW和1％、2％及3％ NS的5种混凝土试件,通过抗压强度试验、超声波探伤试验和SEM试验研究了混凝土的力学性能与不同养护龄期下(7d、14 d、28 d、56 d)混凝土的自修复性能.结果 表明,随着龄期的延长和NS掺量的增加,混凝土的抗压强度均呈现上升趋势.单掺CCCW和复掺CCCW与NS混凝土的抗压强度优于基准混凝土,且复掺情况下混凝土的抗压强度高于单掺CCCW混凝土;单掺CCCW和复掺CCCW与NS混凝土具有良好的自修复性能.随着养护龄期的延长,复掺情况下混凝土修复后抗压强度的增长趋势和波速明显优于其他混凝土;预压80％极限抗压强度的混凝土自修复效果优于预压60％的情况.其中,复掺3％ CCCW与1％ NS混凝土修复后的抗压强度、波速与强度恢复率均高于其他混凝土;CCCW与NS的掺入促进了裂缝处未水化水泥颗粒的水化反应,生成结晶体,从而形成致密的结晶体网络,提高了混凝土自修复性能.