关键词 纳米硅,混凝土,砂浆
多年来,纳米硅作为粘结剂广泛应用于精密铸造、造纸、无机涂料、纺织、电子、耐火材料等行业,低浓度的纳米硅从研制到应用已有70 多年的历史。早期的纳米硅的SiO2 含量低于10 % ,存在性能上不稳定,不可再生等缺点。如今人们已经可以生产出高浓度、高稳定及可再生的纳米硅,随着纳米硅品种的增多,其应用领域也在扩大。纳米硅是一种处于稳定的不团聚的硅胶颗粒水性溶液,其颗粒直径一般在3～150nm ,p H 值在8.5～11.5 之间。纳米硅有着广泛的用途,尤其是在混凝土和水泥砂浆体系中的应用展示了许多全新的优点。
1 纳米硅与其他3 种无定形硅的区别
纳米胶体硅与其它类型的硅石有着很大的区别(见表1) 。最重要的不同在于,其它形态的硅石为固态粉末状,而纳米胶体硅呈液态。此外,还具有较宽范围的表面积,颗粒大小保持均一性。
4 种无定形硅的存在形态(图略) 为:硅胶(强聚合体) ;无烟型白炭黑(链状) ;沉淀型；白炭黑(葡萄串状) ;纳米胶体硅(颗粒状) 。
2 纳米硅的应用原理
当纳米硅和水泥体系中的水泥水合产物—水合硅酸盐等钙源相混合时,纳米级的SiO2 颗粒就会与它们快速反应生成一种新型的水合硅酸盐胶体,这种胶体与普通硅酸盐水泥中C3 S 和C2 S 水化硅酸盐类似。其中,反应速度及混合物的强度与水和SiO2的比例、阳离子的数量及纳米硅颗粒直径大小等因素相关。
3 自密实混凝土和砂浆体系中可能存在的问题
日本在自密实混凝土的早期研究,一般采用较高水泥用量、低水灰比及非常细的骨料等方法来避免自密实混凝土的离析和泌水等难题。由于新一代超塑化剂(减水剂) 在混凝土中的使用,具有高减水和延长开放时间等优点,使其在混凝土中得到广泛的应用。但是这些超塑化剂在增加表面活性的同时,减少了对水泥颗粒表面的吸附,会使得混凝土离析和泌水等问题更加严重。目前这已是自密实混凝土中的常见现象。
自密实混凝土的流动稳定性和使用性一直是人们关注的2 个焦点。自密实混凝土的设计一般遵循通过添加剂来增加塑粘性和始流值原则以控制泌水及离析等现象,如使用干粉状的纤维素醚,瓜儿胶和黄原胶等添加剂。但是它们在混凝土中会导致混凝土的粘滞,和易性差等缺点,需要机械功来克服它们所带来的高屈服应力,还需要添加可以消除其引气现象昂贵的消泡剂,且有机的增稠剂不能增加混凝土的最终强度。
由于通过添加低粘度( < 45 cP) 的纳米硅到混凝土或水泥砂浆中,可以得到一种更加稳定及更具有流动性的自密实混凝土,并且可以提高砂浆的早期和最终强度,尤其是和超塑化剂一起使用的情况下,纳米硅在混凝土中可发挥更突出的作用。在水泥体系中添加纳米硅,其可与水泥水合产物快速反应生成类似水泥水合物高硅含量的水合硅酸钙C2S2H 胶体结构,这种快速生成的C2S2H 结构不但可以粘结水泥及骨料,还可束缚住水泥中过量的游离水,从而可提高混凝土的流变性能和稳定性,与传统的添加剂(如纤维素醚和黄原胶) 相比,无需通过增加混凝土的塑变性即可提高混凝土的流动性和稳定性。纳米硅通过基本不改变混凝土的塑变性及屈服应力的情况下,可保持混凝土的流动稳定性。这一点改变了日本学者在高水泥含量自密实混凝土方面的传统观点。从经济角度看,纳米硅在成本上和传统的触变剂相近,有时甚至更加廉价。此外,自密实混凝土中使用纳米硅在符合一定强度设计要求的条件下,可降低水泥的使用量来生产稳定的高流动混凝土,且可以提高早期强度,提高最终强度,从而获得更加耐用的廉价的自密实混凝土。
4 实验结果与讨论
4. 1 实验设计基本原理
参考Shah S P 等的研究,对于自密实混凝土的流变性列出了各种不同区域的特征(图略) 。低变形区的混凝土显示了非常低的流动性,其变形性差且利用重力进行密实填充困难。离析区的混凝土由于混凝土中粘结力太小,不易带动骨料的流动。理想区是流动阻力和粘度相互作用下,使得混凝土可以高效地流动并粘着。
4. 2 普通混凝土的对比实验
在普通的居住用混凝土中设计以下实验,进行减少水泥用量等方面的观察。抗压强度的要求是:16h 时要达到5MPa ,28 天后达30MPa 。水灰比是0. 7 ,水泥用量在280～300kg/ m3 。设计2 组实验进行对比,结果如表2 所示。
在减少水泥用量的条件下,实验混凝土的抗压强度可达到近似基准混凝土的抗压强度(图略) 。
4. 3 自密实混凝土的对比实验
按表3 配比设计2 组自密实混凝土进行对比实验,结果如表4 和图1 所示。
由表4 和图1 可看出,纳米硅混凝土减少了水泥和集料的使用量,没有增加混凝土中的气含量,其流动性能更好,且提高了混凝土的早期强度,其最终强度也满足设计要求的30MPa 。
5 结 论
添加纳米硅的自密实混凝土提供了良好的粘结性能,并达到了比较理想的塑性粘度及屈服应力的平衡。可以按照设计要求,减少一定的水泥和填料的添加量,对其稳定性和流动性没有任何负影响。在减少了添加量如水泥和填料的情况下,可以取得设计所需要的最终强度,并增加了混凝土的反应活性和均一性。其环保性强,有利于对能量消耗和温室气体排放等方面的要求。
(参考文献略)
