關鍵詞 納米硅,混凝土,砂漿
多年來,納米硅作為粘結劑廣泛應用于精密鑄造、造紙、無機涂料、紡織、電子、耐火材料等行業,低濃度的納米硅從研制到應用已有70 多年的歷史。早期的納米硅的SiO2 含量低于10 % ,存在性能上不穩定,不可再生等缺點。如今人們已經可以生產出高濃度、高穩定及可再生的納米硅,隨著納米硅品種的增多,其應用領域也在擴大。納米硅是一種處于穩定的不團聚的硅膠顆粒水性溶液,其顆粒直徑一般在3～150nm ,p H 值在8.5～11.5 之間。納米硅有著廣泛的用途,尤其是在混凝土和水泥砂漿體系中的應用展示了許多全新的優點。
1 納米硅與其他3 種無定形硅的區別
納米膠體硅與其它類型的硅石有著很大的區別(見表1) 。最重要的不同在于,其它形態的硅石為固態粉末狀,而納米膠體硅呈液態。此外,還具有較寬范圍的表面積,顆粒大小保持均一性。
4 種無定形硅的存在形態(圖略) 為:硅膠(強聚合體) ;無煙型白炭黑(鏈狀) ;沉淀型；白炭黑(葡萄串狀) ;納米膠體硅(顆粒狀) 。
2 納米硅的應用原理
當納米硅和水泥體系中的水泥水合產物—水合硅酸鹽等鈣源相混合時,納米級的SiO2 顆粒就會與它們快速反應生成一種新型的水合硅酸鹽膠體,這種膠體與普通硅酸鹽水泥中C3 S 和C2 S 水化硅酸鹽類似。其中,反應速度及混合物的強度與水和SiO2的比例、陽離子的數量及納米硅顆粒直徑大小等因素相關。
3 自密實混凝土和砂漿體系中可能存在的問題
日本在自密實混凝土的早期研究,一般采用較高水泥用量、低水灰比及非常細的骨料等方法來避免自密實混凝土的離析和泌水等難題。由于新一代超塑化劑(減水劑) 在混凝土中的使用,具有高減水和延長開放時間等優點,使其在混凝土中得到廣泛的應用。但是這些超塑化劑在增加表面活性的同時,減少了對水泥顆粒表面的吸附,會使得混凝土離析和泌水等問題更加嚴重。目前這已是自密實混凝土中的常見現象。
自密實混凝土的流動穩定性和使用性一直是人們關注的2 個焦點。自密實混凝土的設計一般遵循通過添加劑來增加塑粘性和始流值原則以控制泌水及離析等現象,如使用干粉狀的纖維素醚,瓜兒膠和黃原膠等添加劑。但是它們在混凝土中會導致混凝土的粘滯,和易性差等缺點,需要機械功來克服它們所帶來的高屈服應力,還需要添加可以消除其引氣現象昂貴的消泡劑,且有機的增稠劑不能增加混凝土的最終強度。
由于通過添加低粘度( < 45 cP) 的納米硅到混凝土或水泥砂漿中,可以得到一種更加穩定及更具有流動性的自密實混凝土,并且可以提高砂漿的早期和最終強度,尤其是和超塑化劑一起使用的情況下,納米硅在混凝土中可發揮更突出的作用。在水泥體系中添加納米硅,其可與水泥水合產物快速反應生成類似水泥水合物高硅含量的水合硅酸鈣C2S2H 膠體結構,這種快速生成的C2S2H 結構不但可以粘結水泥及骨料,還可束縛住水泥中過量的游離水,從而可提高混凝土的流變性能和穩定性,與傳統的添加劑(如纖維素醚和黃原膠) 相比,無需通過增加混凝土的塑變性即可提高混凝土的流動性和穩定性。納米硅通過基本不改變混凝土的塑變性及屈服應力的情況下,可保持混凝土的流動穩定性。這一點改變了日本學者在高水泥含量自密實混凝土方面的傳統觀點。從經濟角度看,納米硅在成本上和傳統的觸變劑相近,有時甚至更加廉價。此外,自密實混凝土中使用納米硅在符合一定強度設計要求的條件下,可降低水泥的使用量來生產穩定的高流動混凝土,且可以提高早期強度,提高最終強度,從而獲得更加耐用的廉價的自密實混凝土。
4 實驗結果與討論
4. 1 實驗設計基本原理
參考Shah S P 等的研究,對于自密實混凝土的流變性列出了各種不同區域的特征(圖略) 。低變形區的混凝土顯示了非常低的流動性,其變形性差且利用重力進行密實填充困難。離析區的混凝土由于混凝土中粘結力太小,不易帶動骨料的流動。理想區是流動阻力和粘度相互作用下,使得混凝土可以高效地流動并粘著。
4. 2 普通混凝土的對比實驗
在普通的居住用混凝土中設計以下實驗,進行減少水泥用量等方面的觀察。抗壓強度的要求是:16h 時要達到5MPa ,28 天后達30MPa 。水灰比是0. 7 ,水泥用量在280～300kg/ m3 。設計2 組實驗進行對比,結果如表2 所示。
在減少水泥用量的條件下,實驗混凝土的抗壓強度可達到近似基準混凝土的抗壓強度(圖略) 。
4. 3 自密實混凝土的對比實驗
按表3 配比設計2 組自密實混凝土進行對比實驗,結果如表4 和圖1 所示。
由表4 和圖1 可看出,納米硅混凝土減少了水泥和集料的使用量,沒有增加混凝土中的氣含量,其流動性能更好,且提高了混凝土的早期強度,其最終強度也滿足設計要求的30MPa 。
5 結 論
添加納米硅的自密實混凝土提供了良好的粘結性能,并達到了比較理想的塑性粘度及屈服應力的平衡。可以按照設計要求,減少一定的水泥和填料的添加量,對其穩定性和流動性沒有任何負影響。在減少了添加量如水泥和填料的情況下,可以取得設計所需要的最終強度,并增加了混凝土的反應活性和均一性。其環保性強,有利于對能量消耗和溫室氣體排放等方面的要求。
(參考文獻略)
