纳米氮化硅对水泥早强性能的影响研究

卢婷

（安徽理工大学能源与安全工程学院，安徽淮南232000）

随着社会发展，各领域对水泥基材料的需求不断增加，对水泥基材料的性能要求也越来越高。如何提高水泥材料的早强性和耐久性已成为水泥科学技术中最为关注的问题之一[1]。目前，水泥材料的外加剂在实际生产中应用广泛，早强剂是其中最为重要的一部分[2]。本文拟研究提高水泥基的早期强度。由于纳米材料的尺寸小，表面原子数多，反应活性高，加入水泥后因其高活性可与水泥矿物和水化产物发生水化过程，进而加速水化反应，增加体系的胶凝性能，并且能够加速水化产物迅速成核[3-4]，众多学者展开了纳米材料应用于水泥基中的研究。而纳米Si3N4材料是最具有发展前途的材料之一，除了具有纳米材料尺寸小的特性外还具有很好的化学稳定性、优良的介导性能和优异的力学性能[5]。纳米Si3N4广泛应用于陶瓷材料以提高材料的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性，但其在水泥基中的应用甚少。本实验将纳米Si3N4掺入水泥基中，从而研究纳米Si3N4对水泥基早期强度的影响，并通过SEM和XRD 对早强机理进行分析。

1 实验部分

1.1 原材料

P·O 32.5 普通硅酸盐水泥（八公山水泥厂）；纳米Si3N4（无锡恒泰有色金属研究院）。

1.2 实验方法

依据GB 8076-2008《混凝土外加剂》，控制水灰比为W/C=0.4。实验中的各组分掺量百分比均以胶凝材料的质量计。将各组分与水泥充分搅拌后注入70 mm×70 mm×70 mm 模具中并放入HBY-60Z 型水泥恒温恒湿标准箱中养护，养护温度20℃，相对湿度98%，养护12 h 后脱模，并继续养护至规定期龄后用无水乙醇终止水化，丙酮浸泡后备用。

（1）抗压强度测试。根据GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，水泥试件抗压强度测试采用YAW-3000 型伺服压力试验机。

（2）SEM 分析。将试块切割为薄片状样本后，用FLEXSEM-1000 扫描电子显微镜进行SEM分析。

（3）XRD 分析。取适量试块研磨成粒径不大于63 μm 的粉末干燥后，用XRD-6000X 射线衍射分析仪进行XRD 分析。

2 实验过程及结果分析

将不添加任何外加剂的水泥净浆设为基准组；将分别掺入1%、2%、3%的纳米Si3N4的水泥试件设为实验组，对水泥试件进行相关早强性能测试。

2.1 抗压强度分析

掺入不同掺量纳米Si3N4的水泥试件，在不同期龄的抗压强度测试如图1 所示。从图1 可以看出，随着纳米Si3N4含量的增加，水泥材料的抗压强度与基准组相比整体上升，但抗压强度增加的幅度先增加后下降。主要由于纳米Si3N4的尺寸小，可以填补水泥基内部的孔隙，因此加入纳米Si3N4后抗压强度增加。但纳米Si3N4掺量过多时易发生团聚，大量的小尺寸颗粒在水泥熟料周围，一定程度上阻碍了熟料和水的接触，减缓了水化反应，使内部产生空隙，改变了水泥的内部结构。因此纳米Si3N4掺量过大时抗压强度增加的幅度下降。当纳米Si3N4的掺量为2%时试件抗压强度达到最大值，相较基准组加入2%纳米Si3N4的水泥净浆1、3、7、28 d 抗压强度分别提高了37.3%、25.3%、22.8%、19.1%。

图1 不同掺量纳米Si3N4 对水泥浆体的抗压强度影响

2.2 XRD 分析

分别对期龄为1 d 的基准组和掺加2%纳米Si3N4的最优组进行XRD 分析，结果如图2 所示。

图2 基准组与最优组水化期龄为1 d 的XRD 图

从图2 可以看出，经过1 d 的水化反应，基准组和实验组的水化产物基本相同，只是两者水化反应的进展不同。其中掺加了2%纳米Si3N4的最优组的Ca（OH）2、C2S、C3S 峰值要低于基准组，而钙矾石（AFt）的峰值要高于基准组。通过XRD 分析结果可以看出，加入纳米Si3N4后不改变水泥的水化反应组成成分，而水化反应界面处的CH 晶体的衍射峰强度较基准组有所下降，说明纳米Si3N4可以起到晶核作用，能够迅速成核，吸引水泥中更多的Ca（OH）2参与二次水化反应，生成更多的C-H-S 凝胶和钙矾石晶体。因此加入纳米Si3N4的水泥提高了抗压强度和耐久性。

2.3 SEM 分析

通过扫描电镜对水化期龄为1 d 的基准组水泥试件和掺入最佳掺量2%纳米Si3N4的水泥试件进行微观结构分析，对比两者的SEM图（图3、图4）可以发现，经过1 d 水化反应后，基准组中仍存在大量未参与反应的水泥熟料以及少量的钙矾石；而掺入2%纳米Si3N4的最优组则相较基准组结构更致密，孔隙和空隙相对较小，且有更多的针棒状钙矾石和交错分布的C-H-S 产生。由于纳米Si3N4的微集料效应可以填充水泥熟料之间的孔隙，使水泥的内部结构更加致密稳固；且能够促进水泥水化，加快水化产物的形成，为水化进展提供了更多的C-H-S 凝胶，改善CH 晶体的定向排列取向性，使界面结构由平面排列向空间结构过渡，改善界面的综合性能，从而提高水泥的早强性能。

图3 基准组水泥试件1 d 浆体SEM 图

图4 掺入2%纳米Si3N4 试件1 d 浆体SEM 图

3 结论

（1）加入纳米Si3N4后水泥试件的抗压强度增加，但随着纳米Si3N4的增加，水泥基抗压强度增加的幅度先上升后下降。其中纳米Si3N4的最佳掺量为2%，掺量为2%时1 d 的抗压强度为9.2 MPa，较基准组提高了37.3%。

（2）掺加纳米Si3N4水泥基的早期水化产物与基准组相比明显增多，且由于纳米Si3N4的小尺寸填补了水泥浆的孔隙，使水泥的内部结构更密实，孔结构得到了改善；此外还加快了水泥基的水化进程，改善了水泥内部结构，使水泥基的早期强度和耐久性都得到了改善。