掺纳米Si3 N4粉体的水泥性能研究

杜惠荣

(石家庄建工商品混凝土股份有限公司，河北石家庄050025)

提高水泥性能的技术是21世纪水泥基材料研究的重点［1-2］，而采用添加某种矿物纳米粉体对材料进行改性，是材料进化的主要途径之一［3-5］。因此，利用纳米Si3N4粉体技术改造传统水泥工业，使水泥成为具有高效、优质、低耗、符合环保要求的高性能水泥，对传统水泥生产技术的升级换代及水泥行业的发展具有重要的科学意义和现实意义。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

纳米Si3N4粉体:合肥开尔纳米技术发展有限责任公司;水泥:42.5(鹿泉市曲寨水泥厂);砂子:ISO标准砂;水:自来水。

1.2 试验方法

(1)净浆试验。成型尺寸为20 mm×20 mm×20 mm的立方体水泥净浆试件，标准养护至1 d、3 d、7 d和28 d，测定其抗压强度。

(2)胶砂试验。成型尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体水泥胶砂试件，标准养护至1 d、3 d、7 d和28 d，测定其抗折强度和抗压强度。

(3)耐腐蚀性试验。将标养28 d的水泥净浆试件取出，分别浸泡在5%HCl溶液、5%NaOH溶液和5%Na2SO4溶液中至28 d，测其抗压强度。

2 试验结果与分析

(1)纳米Si3N4粉体对水泥净浆标准稠度用水量、凝结时间和安定性的影响。纳米Si3N4粉体对水泥净浆标准稠度用水量、凝结时间和安定性的影响的测试结果见表1。由表1可见，当纳米Si3N4粉体在水泥中的掺量不大于6%，随其掺量在水泥中的增加，水泥的凝结时间逐渐缩短，安定性均合格;但当纳米Si3N4粉体的掺量达到8%时，凝结时间突然增大，而且安定性不良。所以，本实验条件下，纳米Si3N4粉体改性水泥的掺量应不超过6%。

表1 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性实验结果

(2)纳米Si3N4粉体对水泥净浆抗压强度的影响。不同纳米Si3N4粉体掺量的水泥净浆，在不同龄期抗压强度的测试结果见图1。由图1可见，随着纳米Si3N4粉体掺量的增加，水泥净浆的抗压强度增大，且当纳米Si3N4粉体掺量为6%时，水泥净浆的抗压强度达到最大值。

(3)纳米Si3N4粉体对水泥胶砂的抗压强度和抗折强度的影响。不同纳米Si3N4粉体掺量的水泥胶砂，在不同龄期抗压强度和抗折强度的测试结果分别见图2和图3。由图2和图3可以看出，水泥胶砂抗压强度和抗折强度随纳米Si3N4粉体掺量的增加变化趋势基本一致，均随其掺量的增大而增大，且当其掺量为6%时，水泥胶砂的抗折和抗压强度均达到最大。因此，对于水泥胶砂来说，纳米Si3N4粉体的最佳掺量为6%。

(4)纳米Si3N4粉体对水泥净浆的耐腐蚀性的影响规律。对不同纳米Si3N4粉体掺量的水泥胶砂进行耐腐蚀性试验，测试结果见图4。由图4可见，掺入纳米Si3N4粉体可以在很大程度上改善水泥的耐腐蚀性能。其中，对于水泥胶砂的耐酸及耐硫酸盐腐蚀性，纳米Si3N4粉体的最佳掺量均为6%;对于水泥的耐碱腐蚀性，结合其安定性，纳米Si3N4粉体的最佳掺量为4%。

图1 纳米Si3 N4粉体掺量对水泥净浆的抗压强度影响折线图

图2 纳米Si3N4粉体掺量对水泥胶砂的抗压强度影响折线图

3 机理分析

图5、图6、图7和图8分别是空白水泥试样和掺入纳米Si3N4粉体的水泥试样7 d浆体的SEM图。对比SEM图可以发现，随着纳米Si3N4粉体的掺入，水泥浆体的水化产物分布更加均匀，使得结构更加密实，从而提高了强度及耐腐蚀性。

4 结论

通过上述研究，得出了以下结论:

(1)纳米Si3N4粉体的掺入可对水泥的凝结时间有所调节，且在掺量不超过6%时，不影响水泥的安定性。

图3 纳米Si3N4粉体掺量对水泥胶砂的抗折强度影响

图4 纳米Si3 N4粉体掺量对水泥净浆耐腐蚀性影响

图5 空白水泥试样7 d浆体SEM图

图6 掺入1%粉体试样7 d浆体SEM图

图7 掺入4%粉体试样7 d浆体SEM图

图8 掺入6%粉体试样7 d浆体SEM图

(2)纳米Si3N4粉体的掺入可以提高水泥及胶砂的力学性能及耐腐蚀性。其中，对于水泥胶砂的耐酸及耐硫酸盐腐蚀性，纳米Si3N4粉体的最佳掺量均为6%;对于水泥的耐碱腐蚀性，结合其安定性，纳米Si3N4粉体的最佳掺量为4%。

［1］隋同波，文寨军.我国水泥工业的绿色化发展方向［J］.中国水泥，2003(10):41-46.

［2］高长明.21世纪水泥工业的历史使命［J］.水泥，1997(1):1-5.

［3］吴中伟.高性能混凝土及其矿物细掺料［J］.建筑技术，1999，30(3):160-163.

［4］牛全林，冯乃谦，杨静.矿物质超细粉在水泥粉体中填充效果的分析［J］.硅酸盐学报，2004，32(1):30-35.

［5］向宇，赵鸣.超细粉体技术在无机矿物填料中应用的研究现状［J］.山西化工，2003，23(2):14-16.