納米材料改性水泥的抗折強度時間效應特性

徐婷 徐菁菁

摘 要：為了研究納米材料對水泥力學性能的改性效果，對三種納米材料改性水泥的抗折強度進行了討論。提出了“抗折強度提高百分比”和“抗折強度比”的概念。數據分析表明，納米材料能夠有效提高水泥的抗折強度，其該抗折強度有明顯的時間效應。

關鍵詞：水泥；抗折強度；齡期；納米材料

引言

水泥作為粉狀水硬性膠凝材料，是重要的建筑材料，廣泛應用于建筑結構中，所以提高水泥力學性能對建筑工程的發展具有十分重要的意義。納米材料有許多與傳統材料不同的物理、化學性質。張世義[1]、徐子芳[2]、熊國宣[3]等人的實驗結果顯示納米改性水泥具有優異的力學性能，所以研究納米改性水泥的力學性能必將對建材領域產生深遠的影響。

文章在諸多研究資料統計的基礎上，分別列出了納米黏土改性水泥、納米SiO2改性水泥和納米TiO2改性水泥等三種改性水泥在不同齡期不同摻量下的抗折強度。并從齡期和摻量兩方面比較了納米復合水泥、納米SiO2水泥和納米TiO2水泥等三種納米水泥的抗折強度比，分析了納米材料對水泥強度特性的影響。

1 抗折強度試驗數據統計分析

1.1 納米黏土改性水泥的抗折強度

張世義[1]等人針對納米黏土改性水泥進行了的抗折強度試驗。該試驗中，水灰比為0.5，試樣均為40mm*40mm*160mm的立方體。納米黏土的摻量分別為0%、1.0%、3.0%和5.0%。養護齡期分別為1d、3d、7d、14d、28d和90d。實測各試件的抗折強度見表1。

表1 納米復合水泥抗折強度/MPa

在分析數據時可得，各個摻量下，納米黏土改性水泥的抗折強度都比同一齡期的基準水泥（納米材料摻量為0的水泥）的抗折強度高。在同一齡期下，納米黏土摻量越大，水泥的抗折強度越高。

為了進一步研究納米材料對水泥抗折強度的影響，有必要進一步討論各個齡期、各摻量的納米黏土改性水泥的抗折強度的提高百分比，其定義如下式：

（1）

式中：i代表納米黏土摻量的向量；j代表齡期向量。例如，f2，3表示第2個摻量、第3個齡期對應的水泥試樣抗折強度，即納米黏土摻量為1%、齡期為7d時的水泥試樣的抗折強度。根據公式（1），計算結果見圖1。

圖1 納米粘土改性水泥抗折強度的提高百分比/%

由圖1可知：（1）齡期為1d的納米水泥抗折強度提高百分比最大，齡期為7d的納米水泥抗折強度提高百分比相對較小；（2）當摻量為5%時，齡期為14d、28d、90d的納米水泥抗折強度提高百分比都為26%；（3）納米黏土摻量為5%的水泥抗折強度提高的百分比最高，在各個齡期的數值分別為36%、27%、11%、26%、26%、26%；（4）納米黏土改性水泥抗折強度的提高百分比與納米黏土摻量成非線性增長關系。

1.2 納米SiO2水泥的抗折強度

為了探究和比較納米SiO2改性水泥和普通硅酸鹽水泥抗折強度的大小，諸多學者進行了研究。徐子芳等人[2]測定了3d、7d、28d齡期，納米SiO2摻量為1%、2%、3%、4%、5%的水泥抗折強度。測得3d齡期各摻量對應的抗折強度為（3.7，5.5，6.3，6.9，6.0，5.9）MPa；7d齡期各摻量對應的抗折強度為（5.1，5.2，5.5，7.8，7.3，7.1）MPa；28d齡期各摻量對應的抗折強度為（7.0，8.8，8.9，10.2，9.6，9.2）MPa。

根據試驗數據可知：（1）各個齡期摻量不同的納米SiO2改性水泥的抗折強度都比基準水泥的抗折強度高；（2）摻量不大于3%時，摻量越大，各個齡期納米SiO2改性水泥的抗折強度越大；摻量到達3%以后，其抗折強度有小幅度的降低，所以3%的摻量為適宜摻量；（3）當摻量為3%時，3d、7d、28d齡期下的納米SiO2改性水泥的抗折強度較基準水泥分別提高了86%、53%、46%，說明摻加適量納米級SiO2對水泥漿體的抗折性有很大的提高。

1.3 納米TiO2改性水泥的抗折強度

熊國宣等人在研究納米TiO2水泥的力學性能實驗中，通過在不同齡期下摻加不同百分比的納米TiO2進行試驗。考慮了0%、3%、5%和7%共4個摻量比。測得3d齡期各摻量對應的抗折強度為（5.3，6.8，5.9，4.9）MPa；7d齡期各摻量對應的抗折強度為（5.8，7.0，6.9，5.4）MPa；28d齡期各摻量對應的抗折強度為（6.1，8.1，8.3，7.2）MPa。由實驗數據可知，齡期為3d的納米TiO2改性水泥的最大抗折強度為6.8MPa，齡期為7d的納米TiO2改性水泥的最大抗折強度為7.0MPa，齡期為28天的納米TiO2改性水泥的最大抗折強度為8.3MPa，他們的摻量的分別為3%、3%、5%。所以不同齡期下，對應的納米TiO2適宜摻量是不一樣的。

綜合納米黏土、納米SiO2、納米TiO2等三種納米材料改性水泥的抗折強度試驗數據可得：（1）納米改性水泥的抗折強度高于普通水泥；（2）不同納米材料的水泥的適宜摻量不同；（3）納米水泥的抗折強度與摻量不成正比。

2 適宜摻量的抗折強度對比

通過觀察各組數據，我們發現在以上進行的實驗中納米黏土、納米SiO2、納米TiO2等三種納米材料改性水泥的三個齡期都被考慮到，它們分別是3d、7d、28d。為了更好地比較三種水泥的抗折性能，統計適宜摻量下的三種水泥在3d、7d、28d的抗折強度，并與該水泥在3d的抗折強度的比值（簡稱“抗折強度比”），定義如下式（2）。以齡期為橫坐標，強度比為縱坐標作出圖2。

k■=■ （2）

式中：fbt代表適宜摻量下各齡期的抗折強度；f3d代表適宜摻量時3d齡期下的抗折強度。由圖2可得：（1）各個齡期中，納米黏土改性水泥的抗折強度比大于納米SiO2改性水泥和納米TiO2改性水泥的抗折強度比；（2）3d和7d齡期時，納米TiO2改性水泥的抗折強度比大于納米SiO2改性水泥的抗折強度比；但在28d齡期時，納米TiO2改性水泥的抗折強度比明顯有下降，且小于納米SiO2改性水泥的抗折強度比；（3）齡期大約為16d時，可認為納米TiO2水泥的抗折強度比與納米SiO2水泥的抗折強度比相等。

3 結束語

作為一種新興材料，納米改性水泥具有非常可觀的前景，多個研究數據表明納米材料能夠提高水泥的抗折強度。納米材料改性水泥的抗折強度高于基準水泥，但其提高百分比不與摻量成正比，且不同納米改性材料的適宜摻量不同。在適宜摻量下，各個齡期的納米黏土改性水泥的抗折強度比都最大。不同納米材料改性水泥表現出略有差異的抗折強度性能，受到納米材料類型、摻加量、水泥品質和養護齡期等諸多復雜因素的影響，這有待進一步的研究。

參考文獻

[1]張世義，范穎芳，欒海洋，等.納米黏土分散性對水泥性能的影響[J].建筑材料學報，2013，16（2）：197-202.

[2]徐子芳，王君，張明旭.納米級SiO2改性水泥膠砂作用機理研究[J].硅酸鹽通報，2007，26（1）：58-62.

[3]熊國宣，徐玲玲，鄧敏，等.摻雜TiO2水泥的吸波性能與力學性能研究[J].功能材料與器件學報，2005，11（1）：87-91.

[4]劉巧玲，孫偉，孫波，等.碳納米管水性分散體的制備及其對水泥砂漿強度的影響[J].東南大學學報，2014，44（3）：662-667.

[5]楊志剛，李云峰，周敬，等.碳納米管對水泥基復合材料力學性能的影響[J].水力發電，2014，40（8）：129-132.

作者簡介：徐婷（1978-），工程師，紹興市規劃管理處審批服務處。