纳米材料改性水泥的抗折强度时间效应特性

徐婷 徐菁菁

摘 要：为了研究纳米材料对水泥力学性能的改性效果，对三种纳米材料改性水泥的抗折强度进行了讨论。提出了“抗折强度提高百分比”和“抗折强度比”的概念。数据分析表明，纳米材料能够有效提高水泥的抗折强度，其该抗折强度有明显的时间效应。

关键词：水泥；抗折强度；龄期；纳米材料

引言

水泥作为粉状水硬性胶凝材料，是重要的建筑材料，广泛应用于建筑结构中，所以提高水泥力学性能对建筑工程的发展具有十分重要的意义。纳米材料有许多与传统材料不同的物理、化学性质。张世义[1]、徐子芳[2]、熊国宣[3]等人的实验结果显示纳米改性水泥具有优异的力学性能，所以研究纳米改性水泥的力学性能必将对建材领域产生深远的影响。

文章在诸多研究资料统计的基础上，分别列出了纳米黏土改性水泥、纳米SiO2改性水泥和纳米TiO2改性水泥等三种改性水泥在不同龄期不同掺量下的抗折强度。并从龄期和掺量两方面比较了纳米复合水泥、纳米SiO2水泥和纳米TiO2水泥等三种纳米水泥的抗折强度比，分析了纳米材料对水泥强度特性的影响。

1 抗折强度试验数据统计分析

1.1 纳米黏土改性水泥的抗折强度

张世义[1]等人针对纳米黏土改性水泥进行了的抗折强度试验。该试验中，水灰比为0.5，试样均为40mm*40mm*160mm的立方体。纳米黏土的掺量分别为0%、1.0%、3.0%和5.0%。养护龄期分别为1d、3d、7d、14d、28d和90d。实测各试件的抗折强度见表1。

表1 纳米复合水泥抗折强度/MPa

在分析数据时可得，各个掺量下，纳米黏土改性水泥的抗折强度都比同一龄期的基准水泥（纳米材料掺量为0的水泥）的抗折强度高。在同一龄期下，纳米黏土掺量越大，水泥的抗折强度越高。

为了进一步研究纳米材料对水泥抗折强度的影响，有必要进一步讨论各个龄期、各掺量的纳米黏土改性水泥的抗折强度的提高百分比，其定义如下式：

（1）

式中：i代表纳米黏土掺量的向量；j代表龄期向量。例如，f2，3表示第2个掺量、第3个龄期对应的水泥试样抗折强度，即纳米黏土掺量为1%、龄期为7d时的水泥试样的抗折强度。根据公式（1），计算结果见图1。

图1 纳米粘土改性水泥抗折强度的提高百分比/%

由图1可知：（1）龄期为1d的纳米水泥抗折强度提高百分比最大，龄期为7d的纳米水泥抗折强度提高百分比相对较小；（2）当掺量为5%时，龄期为14d、28d、90d的纳米水泥抗折强度提高百分比都为26%；（3）纳米黏土掺量为5%的水泥抗折强度提高的百分比最高，在各个龄期的数值分别为36%、27%、11%、26%、26%、26%；（4）纳米黏土改性水泥抗折强度的提高百分比与纳米黏土掺量成非线性增长关系。

1.2 纳米SiO2水泥的抗折强度

为了探究和比较纳米SiO2改性水泥和普通硅酸盐水泥抗折强度的大小，诸多学者进行了研究。徐子芳等人[2]测定了3d、7d、28d龄期，纳米SiO2掺量为1%、2%、3%、4%、5%的水泥抗折强度。测得3d龄期各掺量对应的抗折强度为（3.7，5.5，6.3，6.9，6.0，5.9）MPa；7d龄期各掺量对应的抗折强度为（5.1，5.2，5.5，7.8，7.3，7.1）MPa；28d龄期各掺量对应的抗折强度为（7.0，8.8，8.9，10.2，9.6，9.2）MPa。

根据试验数据可知：（1）各个龄期掺量不同的纳米SiO2改性水泥的抗折强度都比基准水泥的抗折强度高；（2）掺量不大于3%时，掺量越大，各个龄期纳米SiO2改性水泥的抗折强度越大；掺量到达3%以后，其抗折强度有小幅度的降低，所以3%的掺量为适宜掺量；（3）当掺量为3%时，3d、7d、28d龄期下的纳米SiO2改性水泥的抗折强度较基准水泥分别提高了86%、53%、46%，说明掺加适量纳米级SiO2对水泥浆体的抗折性有很大的提高。

1.3 纳米TiO2改性水泥的抗折强度

熊国宣等人在研究纳米TiO2水泥的力学性能实验中，通过在不同龄期下掺加不同百分比的纳米TiO2进行试验。考虑了0%、3%、5%和7%共4个掺量比。测得3d龄期各掺量对应的抗折强度为（5.3，6.8，5.9，4.9）MPa；7d龄期各掺量对应的抗折强度为（5.8，7.0，6.9，5.4）MPa；28d龄期各掺量对应的抗折强度为（6.1，8.1，8.3，7.2）MPa。由实验数据可知，龄期为3d的纳米TiO2改性水泥的最大抗折强度为6.8MPa，龄期为7d的纳米TiO2改性水泥的最大抗折强度为7.0MPa，龄期为28天的纳米TiO2改性水泥的最大抗折强度为8.3MPa，他们的掺量的分别为3%、3%、5%。所以不同龄期下，对应的纳米TiO2适宜掺量是不一样的。

综合纳米黏土、纳米SiO2、纳米TiO2等三种纳米材料改性水泥的抗折强度试验数据可得：（1）纳米改性水泥的抗折强度高于普通水泥；（2）不同纳米材料的水泥的适宜掺量不同；（3）纳米水泥的抗折强度与掺量不成正比。

2 适宜掺量的抗折强度对比

通过观察各组数据，我们发现在以上进行的实验中纳米黏土、纳米SiO2、纳米TiO2等三种纳米材料改性水泥的三个龄期都被考虑到，它们分别是3d、7d、28d。为了更好地比较三种水泥的抗折性能，统计适宜掺量下的三种水泥在3d、7d、28d的抗折强度，并与该水泥在3d的抗折强度的比值（简称“抗折强度比”），定义如下式（2）。以龄期为横坐标，强度比为纵坐标作出图2。

k■=■ （2）

式中：fbt代表适宜掺量下各龄期的抗折强度；f3d代表适宜掺量时3d龄期下的抗折强度。由图2可得：（1）各个龄期中，纳米黏土改性水泥的抗折强度比大于纳米SiO2改性水泥和纳米TiO2改性水泥的抗折强度比；（2）3d和7d龄期时，纳米TiO2改性水泥的抗折强度比大于纳米SiO2改性水泥的抗折强度比；但在28d龄期时，纳米TiO2改性水泥的抗折强度比明显有下降，且小于纳米SiO2改性水泥的抗折强度比；（3）龄期大约为16d时，可认为纳米TiO2水泥的抗折强度比与纳米SiO2水泥的抗折强度比相等。

3 结束语

作为一种新兴材料，纳米改性水泥具有非常可观的前景，多个研究数据表明纳米材料能够提高水泥的抗折强度。纳米材料改性水泥的抗折强度高于基准水泥，但其提高百分比不与掺量成正比，且不同纳米改性材料的适宜掺量不同。在适宜掺量下，各个龄期的纳米黏土改性水泥的抗折强度比都最大。不同纳米材料改性水泥表现出略有差异的抗折强度性能，受到纳米材料类型、掺加量、水泥品质和养护龄期等诸多复杂因素的影响，这有待进一步的研究。

参考文献

[1]张世义，范颖芳，栾海洋，等.纳米黏土分散性对水泥性能的影响[J].建筑材料学报，2013，16（2）：197-202.

[2]徐子芳，王君，张明旭.纳米级SiO2改性水泥胶砂作用机理研究[J].硅酸盐通报，2007，26（1）：58-62.

[3]熊国宣，徐玲玲，邓敏，等.掺杂TiO2水泥的吸波性能与力学性能研究[J].功能材料与器件学报，2005，11（1）：87-91.

[4]刘巧玲，孙伟，孙波，等.碳纳米管水性分散体的制备及其对水泥砂浆强度的影响[J].东南大学学报，2014，44（3）：662-667.

[5]杨志刚，李云峰，周敬，等.碳纳米管对水泥基复合材料力学性能的影响[J].水力发电，2014，40（8）：129-132.

作者简介：徐婷（1978-），工程师，绍兴市规划管理处审批服务处。