納米CuO改性水泥基材料力學與耐久性的試驗研究

吳福飛， 趙振華， 董雙快， 劉春梅， 周開州

(貴州師范大學 材料與建筑工程學院， 貴州 貴陽 550025)

1 研究背景

隨著混凝土配制技術的發展，混凝土以其優良的性能、可模性好以及低廉的價格，在房屋、水利、橋梁、市政等工程中獲得了較為廣泛的使用[1-2]。在混凝土長期的服役期，常因混凝土開裂、收縮等問題而使混凝土結構過早發生破壞，因此，混凝土的改性技術已成為了研究的熱點問題。

納米金屬氧化物改性水泥基材料是將納米金屬氧化物顆粒摻入水泥基材料，一同攪拌、澆筑成型得到的復合材料，重點考察納米金屬氧化物對水泥基材料流動性能、抗折和抗壓強度、耐久性和細觀結構的改性作用。目前，用于改善水泥基材料性能的納米金屬氧化物主要有納米Al2O3[3]、納米Fe2O3[4]、納米ZnO2[5]、納米TiO2[6]、納米CuO[7]和納米MgO[8-9]等，由于這些納米金屬氧化物顆粒的物理化學性能不同，因而對水泥砂漿、混凝土的改性作用存在差異，但均能在一定程度上改善水泥基材料的宏觀力學性能和耐久性。納米材料顆粒超細，是否會影響水泥基材料的流動性，國內外的研究者做了許多的研究工作，取得了一定的研究成果。Nazari等[10-11]研究發現水膠比為0.4時，納米Al2O3對砂漿流動性有顯著的劣化作用，隨著摻量的增加其流動性越小，同時也會縮短砂漿的初凝時間和終凝時間。采用納米Al2O3替代水泥配制混凝土時，混凝土的流動性基本呈現出降低趨勢。Arefi等[12]研究發現，水膠比為0.417時，1%～3%納米Al2O3能增強砂漿的抗壓強度、劈裂強度和抗折強度，部分增強作用達到70%，但摻量為5%對砂漿力學性能卻呈現出劣化作用。Madandoust等[13]研究發現，1%～5%納米CuO對水膠比為0.40的自密實混凝土抗壓強度有增強作用，摻量以3%為宜；也會增大自密實混凝土的電阻率，摻量為4%時達到最大；但在一定程度上降低了自密實混凝土的滲透性能，摻量為4%時達到最小值。Nazari 等[14-15]發現，納米CuO摻量為1%～5%、水灰比為0.50時，自密實混凝土的抗壓強度分別提高了4.11%、13.29%、31.64%、48.42%和 44.3%；劈裂強度提高了-12.5%、12.5%、43.75%、68.75%和 50%；孔隙率分別降低了9.2%、13.25%、16.04%、18.82%和17.57%，但摻量均以4%為宜。

從上述的研究發現，納米金屬氧化物在自密實混凝土的研究中主要集中在力學性能、氯離子滲透性能、吸水速率和孔隙率方面，在低水膠比水泥基材料中的研究相對較少，有待進一步深入研究探討。基于上述的研究情況，本文以低水膠比水泥基材料為研究對象，探索納米CuO摻量對水泥基材料凝結時間、流動性、抗折、抗壓強度、干燥收縮以及滲透性能的影響，并通過微觀掃描和已有文獻的研究情況，進一步探索納米CuO在水泥基材料中的作用機制，為納米混凝土的配制與推廣提供試驗基礎。

2 材料與方法

2.1 原材料

水泥采用堯柏普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)，密度為3.06 g/cm3，比表面積為365 m2/kg，標稠為27.5%，主要的化學成分如表1。砂為標準砂，減水劑是減水率為35%～40%的高效減水劑，水是實驗室的自來水。納米材料為納米氧化銅，化學式CuO，是一種金屬氧化物，外觀呈黑色，相對分子量為79.5，密度為6.49 g/cm3，熔點為1 026℃，平均粒徑為30 nm，純度大于99.9%。

表1 堯柏水泥的化學成分 %

2.2 試驗方法

為了考慮水膠比和納米CuO摻量對水泥基材料性能的影響，試驗中水膠比設計為0.35和0.25，納米CuO的摻量為0(空白組)、0.5%、1%、2%和4%。抗折、抗壓強度和滲透性能試驗的試件尺寸為4 cm×4 cm×16 cm；干燥收縮試驗采用尺寸為25 mm×25 mm×280 mm的試件，參考《水工混凝土試驗規程》(DL/T 5150-2017)進行，滲透性能試驗依據ASTM C 642[16]的測試方法進行。每組試樣5個平行樣品，取試驗結果相近的3個樣品的平均值作為試驗結果，其余試驗結果均剔除。

3 結果與分析

3.1 凝結時間與流動性

圖1和2分別為納米CuO對水泥基材料凝結時間和流動性的影響。由圖1可以看出，水泥基材料的初凝時間和終凝時間隨納米CuO摻量的增加呈線性降低的趨勢，相關系數均在0.90以上。0.5%～4.0%納米CuO顆粒摻入水泥基材料后，初凝時間和終凝時間分別降低了2.5%～18.0%和5.9%～22.9%，相對而言，納米CuO對水泥基材料終凝時間的降低率高于初凝時間1.3～3.0倍。納米CuO也會顯著降低水泥基材料的坍落度，如圖2所示。在水膠比為0.35時，0.5%～4.0%納米CuO水泥基材料的坍落度降低了10.5%～31.4%。在水膠比為0.25時，降低了4.3%～14.9%。可見，水膠比越低，加入相同量的納米CuO后，水泥基材料坍落度的降低幅度越小。這主要是由于納米CuO顆粒吸濕性強，進而降低了水泥基材料中的水分，因此顯著降低了水泥基材料的凝結時間和坍落度。Heikal等[3]、Shekari等[17]、Arefi等[12]、Qing等[8]對納米Fe3O4、納米Fe2O3、納米Al2O3和納米MgO等的研究結果也發現，納米材料的摻量越大，則水泥基材料和易性的降低幅度越大。

圖1納米CuO不同摻量對水泥基材料凝結時間的影響 圖2納米CuO不同摻量對水泥基材料流動性的影響

3.2 力學性能

抗折強度(試驗機如圖3所示)和抗壓強度(試驗機如圖4所示)是水泥基材料強度等級評定的重要指標，圖5和6為納米CuO摻量對水泥基材料抗折強度和抗壓強度的變化規律。

圖3抗折試驗機 圖4抗壓試驗機

由圖5的變化規律可知，隨著納米CuO摻量從0增加至4%時，對于同一養護齡期，水泥基材料的抗折強度呈先增大后降低的變化趨勢，但各齡期的抗折強度均高于空白組，且摻量均以2%為宜。納米CuO摻量為2%，水膠比為0.35水泥基材料3、7、28、90 d的抗折強度約比空白組高5.6%、4.3%、5.0%和8.7%，水膠比為0.25水泥基材料3、7、28、90 d的抗折強度約比空白組高3.1%、20.4%、8.9%和10.1%。由此可見，納米CuO對不同水膠比水泥基材料的抗折強度均有增強作用。納米CuO摻量為2%，水膠比為0.25時水泥基材料的抗折強度約比水膠比為0.35時高5.3%、34.0%、28.6%和26.8%，這也進一步說明了水膠比越低，水泥基材料的抗折強度越高。納米CuO摻量為0～4%、水膠比分別為0.35和0.25時，水泥基材料3 d的抗折強度約分別為28 d時的89.0%、91.2%、89.5%、88.5%和77.4%、76.0%、73.3%、75.8%；可見，水膠比不同，則水泥的水化程度不同，進而對水泥基材料力學性能的貢獻也不同。

圖5 納米CuO不同摻量的水泥基材料的抗折強度

圖6 納米CuO不同摻量的水泥基材料的抗壓強度

由圖6的變化規律可知，隨著納米CuO摻量從0增加至4%時，對于同一養護齡期，水泥基材料的抗壓強度呈先增大后降低的變化趨勢，各齡期的抗壓強度均高于空白組，且摻量均以2%為宜，這與抗折強度的變化規律一致。納米CuO摻量為2%、水膠比為0.35水泥基材料3、7、28、90 d的抗折強度約比空白組高4.2%、5.7%、9.9%和5.7%，水膠比為0.25水泥基材料3、7、28、90d的抗折強度約比空白組高3.7%、5.4%、3.0%和3.9%。可見，納米CuO對不同水膠比水泥基材料的抗壓強度均有增強作用；在水膠比為0.25時，納米CuO摻量對水泥基材料抗折強度的增強作用高于抗壓強度。納米CuO摻量為2%、水膠比為0.25時水泥基材料3、7、28、90 d的抗壓強度約為水膠比為0.35時高23.1%、22.7%、28.2%和15.3%，結合抗折強度的試驗結果發現，水膠比越低，水泥基材料早期抗壓強度相對較高，后期抗折強度相對較高。納米CuO摻量為0～4%、水膠比為0.35和0.25時，水泥基材料3 d的抗折強度約為28 d時的85.6%、81.0%、81.2%、81.9%和77.5%、77.5%、78.0%、78.7%，這與抗折強度的變化規律基本相同，在實際工程中，可初步采用3 d的力學性能預測28 d的力學性能。

Madandoust等[13]研究發現，25%粉煤灰自密實混凝土中摻入1%～5%納米CuO時, 納米CuO對水膠比為0.40的自密實混凝土抗壓強度有增強作用，摻量以3%為宜。Nazari等[14]的試驗發現，養護齡期為28 d且納米CuO摻量為1%～5%時，水膠比為0.50的自密實混凝土抗壓強度提高了4.11%、13.29%、31.64%、48.42%和 44.3%，即摻量為4%時，自密實混凝土的抗壓強度最高。另外，Nazari等[15]的試驗也發現，養護齡期為28 d且納米CuO摻量為1%～5%，水膠比為0.40的自密實混凝土劈裂強度提高了-12.5%、12.5%、43.75%、68.75%和 50%。從Nazari等[14-15]的試驗可以發現，摻量以4%為宜。然而本文的試驗結果以2%為宜，Madandoust等[13]的試驗結果以3%為宜。究其原因主要是水膠比、膠凝材料的含量和組成以及拌合物的流動性不同，Madandoust[13]的試驗中摻入粉煤灰和納米CuO，其細度大小為納米CuO>粉煤灰>水泥，故而發生一種微集料效應。通常水膠比較大時，水泥基材料的孔徑尺寸相對較大、孔隙率相對較高；低水膠比時，水泥基材料的孔徑尺寸相對較小、孔隙率相對較低[18]。本文的水膠比為0.25和0.35相對于Nazari等[14-15]試驗中的水灰比要小，因此，納米CuO的填充作用有所不同。綜合上述的研究表明，適量的納米CuO替代水泥后，能夠增強水泥基材料的抗折、抗壓強度。

3.3 干燥收縮

圖7為納米CuO對水泥基材料干燥收縮的影響規律。由圖7可見，納米CuO摻量越高，水泥基材料的干燥收縮越小，均低于空白組的干燥收縮。在各摻量下，水泥基材料的干燥收縮基本呈對數變化規律，水膠比為0.35時擬合曲線的R2基本在0.94以上；水膠比為0.25時擬合曲線的R2基本在0.97以上。1%、2%、4%納米CuO等質量替代水泥后，水膠比為0.35時水泥基材料1 d時的干燥收縮比空白組降低了61.5%、76.9%和88.5%；28 d時降低了22.0%、29.3%和34.1%。水膠比為0.25時，1%、2%、4%納米CuO等質量替代水泥后，水泥基材料1 d時的干燥收縮比空白組降低了47.9%、50.7%和58.6%；28 d時降低了6.7%、11.5%和13.9%。可見，納米CuO替代水泥后能降低水泥基材料早期的干燥收縮，尤其是水膠比較大時較為顯著，而對低水膠比水泥基材料后期的干燥收縮相對較小。這主要是由于納米CuO顆粒極細，比表面積大，吸濕性強等特點，故而能將拌合用水吸附在水泥基材料內部[19]，當水泥基材料表層的水分散失后，納米CuO顆粒吸附的水分能夠及時補充，進而減小水泥基材料的干燥收縮。綜合納米CuO對水泥基材料凝結時間和流動性的改性作用發現，納米CuO能在水泥基材料中發揮尺寸效應，進而降低水泥基材料的凝結時間、流動性及干燥收縮性能。

3.4 滲透系數

圖8為納米CuO摻量對水泥基材料滲透性的影響。如圖8所示，納米CuO摻量越大，水泥基材料的滲透系數越小，以摻量為4%時達到最低。納米CuO的摻量為1%～4%且養護28 d時，水膠比為0.35時水泥基材料的滲透系數分別降低了19.7%、28.0%和35.7%；水膠比為0.25時水泥基材料的滲透系數分別降低了44.1%、20.7%和18.8%。對比發現，低水膠比(0.25)時，1%納米CuO對水泥基材料滲透系數降低幅度的影響較大；高水膠比(0.35)時，4%納米CuO對水泥基材料滲透系數降低幅度的影響較大，這說明了納米CuO替代水泥后能達到細化孔結構的目的。許多研究也發現，水泥基材料的滲透性能與孔徑分布有關，孔徑主要有多害孔(大于200 nm)、有害孔(50～200 nm)、少害孔(20～50 nm)和無害孔(小于20 nm)。水膠比較大時，水泥基材料的尺寸較大、孔隙率相對較高；低水膠比時，水泥基材料的尺寸較小、孔隙率相對較低，因此，在不同水膠比的水泥基材料中，納米CuO的細化作用不同。Nazari等[14-15]研究發現，1%～5%納米CuO替代水泥后，水膠比為0.40時自密實混凝土的孔隙率降低了9.2%、13.25%、16.04%、18.82%和17.57%，其中摻量以4%為宜。這與本文滲透性能的結果類似，即摻量以4%時水泥基材料的滲透系數最小，這也進一步說明納米CuO能改善水泥基材料的孔結構，在水泥基材料中起著微集料填充作用。

圖7 納米CuO不同摻量的水泥基材料的干燥收縮

圖8 納米CuO不同摻量的水泥基材料的滲透系數

3.5 微觀形貌

圖9是水膠比為0.25時水泥基材料的微觀形貌。純水泥在水化后，其水化產物主要有水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、氫氧化鈣和孔隙等。如圖9(a)所示，空白組中孔隙相對較大，還有一定數量的無害孔。納米CuO摻量為1%時，其孔隙相對較小(如圖9(b)所示)，僅有一定數量的少害孔和無害孔，另外，電鏡掃描圖片中明顯出現層狀的氫氧化鈣以及相互交織在一起的水化硅酸鈣。納米CuO摻量為2%時，水泥基材料中的孔隙相對較少，未出現層狀氫氧化鈣，但出現相互交織在一起的高硅鈣比水化硅酸鈣(如圖9(c)所示)。Madandoust等[13]研究也發現，納米CuO替代水泥后，自密實混凝土中水化硅酸鈣的數量增多，氫氧化鈣的數量減少。這主要是納米CuO替代水泥，分散了水泥顆粒，增大了與水的接觸概率，進而促進了水泥水化的速率，形成較多的水化硅酸鈣。納米CuO與納米Al2O3不同，納米Al2O3活性相對較高，能消耗水泥水化形成的氫氧化鈣，進而形成CAH或AFt，故而使水泥基材料的微觀結構變得相對密實[20]。綜合上述的研究發現，納米CuO雖不能參與水泥的二次水化反應，但能促進水泥的快速水化，進而發揮納米材料的表面活性，達到提高水泥基材料的抗折、抗壓性能、減小干燥收縮和降低滲透性能。

圖9 水膠比為0.25時納米CuO不同摻量的水泥基材料的微觀形貌

4 結 論

(1)0.5%～4.0%納米CuO能降低水泥基材料的凝結時間和流動性，初凝時間和終凝時間分別縮短了2.5%～18.0%和5.9%～22.9%；流動性在水膠比為0.35和0.25時分別降低了10.5%～31.4%和4.3%～14.9%。說明納米CuO能在水泥基材料中發揮尺寸效應，摻量越大，凝結時間和和易性的降低幅度越大。

(2)1%～4.0%納米CuO能提高水泥基材料的抗折、抗壓強度，降低其滲透性和干燥收縮性能。說明納米CuO能在水泥基材料中發揮微集料的填充效應，提高其密實度，達到細化水泥基材料孔結構的目的。

(3)納米CuO不能參與水泥的二次水化，但能促進水泥的充分水化。說明納米CuO能在水泥基材料中發揮表面活性效應，促進水泥的水化，進而形成較多的水化產物。