納米SiO2對漂珠-堿式硫酸鎂新型發泡水泥強度的影響

張 靜，李名遠，王栓巧，羅 丹，田春雨，賈 磊

(1.內蒙古建筑職業技術學院；2.內蒙古自治區建筑業協會，內蒙古 呼和浩特 010070)

以堿式硫酸鎂5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O、漂珠、水泥等為主要原料,通過加入添加劑,經自然養護成型而制得的新型保溫材料作為一種發泡水泥材料，由于質量輕、節約材料、綠色環保、保溫性能好、耐火性好、與建筑主體同壽命、來源廣等優勢，已被廣泛應用于建筑行業。然而，發泡水泥由于其抗壓、抗折強度低的特點，又限制了其部分應用領域。尤其是100 kg/m3～300 kg/m3的發泡水泥，強度低、需求量大。因此，如何在保證發泡水泥使用效果的前提下，有效提高其抗壓和抗折強度，非常必要。

發泡水泥的化學組成成分和微觀組織決定其抗壓強度和抗折強度。有研究表明[1]，納米SiO2由于其自身特殊的結構特性和化學活性，作為改性劑被引入混凝土，可以提高普通混凝土7 d和28 d的抗壓及抗折強度。因此，筆者通過加入納米SiO2作為改性劑，改善其微觀組織，有望提高其強度，并初步探討納米SiO2對漂珠-堿式硫酸鎂保溫材料形成機理的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

所用試驗材料為堿式硫酸鎂5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O、漂珠、P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥、油酸三乙醇胺溶液、雙氧水(質量濃度27.5%)、檸檬酸、萘系減水劑、水。文中選用的納米SiO2，其加入量分別為發泡水泥混合料總質量的0.01 wt.%、0.02 wt.%、0.03 wt.%、0.04 wt.%、0.05 wt.%。

1.2 試件制備

筆者以5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O、漂珠、P·O42.5R普通硅酸鹽水泥、油酸三乙醇胺溶液，雙氧水(質量濃度27.5%)、檸檬酸、萘系減水劑為主要原料，通過調整原料配合比，制備了密度為204 kg/m3的發泡水泥試塊，粉煤灰和水泥的質量比為3∶1，粉煤灰占膠凝材料總量的75%。

具體制備步驟如下:將5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O、漂珠、P·O42.5R普通硅酸鹽水泥按照一定的質量百分比混合，倒入攪拌設備，以60 rad/min的轉速攪拌5 min；依次加入油酸三乙醇胺溶液、水、萘系減水劑，以60 rad/min的轉速攪拌3 min；依次加入一定質量百分比的雙氧水和檸檬酸，以80 rad/min的轉速攪拌30 s后，攪拌停止，制成兩種尺寸的標準試塊，分別100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm，放入標準養護室分別養護7 d和28 d。

1.3 試驗方法

表觀干密度試驗、抗壓強度試驗、抗折強度試驗根據JG/T266-2016中的規定進行。采用QUANTA-400電子掃描顯微鏡觀察表面形貌。

2 結果與討論

2.1 納米SiO2對泡沫形成過程和泡沫穩定性的影響

通過觀察漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥在模具中的體積，5 min內發泡水泥體積不再發生變化，則界定為其泡沫已全部形成。納米SiO2的加入，減少了漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥中泡沫形成所需的時間。由圖1可以看出，當納米SiO2含量超過0.2 wt.%時，發泡水泥起泡時間逐漸減小，當其含量增加到0.5%時，起泡時間可縮短15 min。通過觀察試驗現象，可以看出，當納米SiO2含量超過0.5 wt.%時，已出現塌模現象。

泡沫的形成,實際上是氣體不斷抵抗溶液表面張力和溶液黏滯力而使氣體表面積不斷增大的過程,只有當溶液表面張力及溶液黏滯力同泡沫自身重力達到平衡時,才會形成泡沫。泡沫便不會在自身重力作用下發生下落，也不會在表面張力作用下不斷膨脹而發生破裂現象。隨著納米SiO2含量的增加，起泡時間減少，甚至出現塌?，F象，即達到這種平衡的時間減少。而當納米SiO2含量<0.1wt.%時，起泡時間幾乎沒有發生變化，這是由于納米粒子由于僑聯作用，增加了泡沫間的骨架作用，從而充當了支撐泡沫的橋梁作用，提高了泡沫的平衡力。因此，本試驗選擇添加含量為0～0.1wt.%的納米SiO2加入漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥。

2.2 納米SiO2對泡沫混凝土強度的影響

表1所示為納米SiO2含量對漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥抗壓強度的影響?？梢钥闯觯敿{米SiO2含量的添加量由0.01 wt.%逐漸增加為0.10 wt.%時，漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥的抗壓強度呈現出先升高后降低的趨勢。這表明，通過在漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥基體中加入適量的納米SiO2，會提高基體的抗壓強度。

表1 漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥28d抗壓強度(MPa)

表2所示為納米SiO2含量對漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥抗折強度的影響。由表2可以看出，隨著納米SiO2含量的增加，其抗折強度同樣呈現出先升高后降低的趨勢。納米SiO2含量為0.06wt.%時，其抗折強度提高了27.2%。這表明，通過在漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥基體中加入適量的納米SiO2，同樣會提高基體的抗折強度，其提高幅度低于抗壓強度。

表2 漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥28d抗折強度(MPa)

2.3 納米SiO2對微裂紋的影響

微裂紋是影響漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥力學性能的重要因素之一。圖2為未摻納米SiO2的漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥形成的微裂紋。可以看出，在圖示范圍內存在多條縱橫方向的微裂紋，其長度可達5 μm～10 μm，寬度可達1 μm～2 μm，也不乏交叉微裂紋的存在。微裂紋不斷地發生擴展引起斷裂，從而導致漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥力學性能的損傷劣化。

圖3所示為納米SiO2添加量分別為0.05 wt.%時，漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥試樣的微裂變化情況。由圖3 中可以看出，微裂紋幾乎不再出現縱向連續貫通的裂紋，而是分別以縱向、橫向、斜向的裂紋形式存在。對比圖2可以看出，微裂紋的數量明顯減少且長度較未摻納米SiO2的漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥明顯減小。同時，可以看出，微裂紋在底部時開始發生偏轉，出現橫向、斜向交叉裂紋形式。微裂紋的長度范圍3 μm～5 μm，寬度范圍1 μm～3 μm，較圖2明顯降低。

2.4 納米SiO2的增強機制

納米材料特有的尺寸效應使得納米材料具有一系列的奇異性質。納米SiO2顆粒直徑小(10 nm～60 nm)、比表面積極大(400 m2/g～700 m2/g)，由于其表面原子存在許多懸空鍵，具有極強的不飽和性，易與其他原子結合形成穩定鍵，因而具有較大的化學活性。納米SiO2為特殊的網狀結構，呈三維鏈狀分子結構，而這種特殊的結構將大幅度提高材料的強度和韌性[2]。這種結構將促進水泥漿中分子結構的改變，會形成新的三維鏈狀分子結構。

漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥由大量的氣孔組成，這是造成其強度低的重要原因。同時，漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥在使用一段時間后，其表面容易開裂，形成干縮裂紋[3]。而氣孔是形成干縮裂紋的直接原因，成為裂紋發展的直接動力，在外力的作用下如自重、風荷載等作用下，裂紋不斷擴展。研究發現[4]，物質中納米粒子的存在能使裂紋尖端產生僑聯效應，是納米材料產生增強機制的主要原因。本試驗，通過在漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥中加入納米SiO2，使裂紋尖端有納米粒子的存在，裂紋擴展過程中，遇到納米粒子，產生橋聯作用，需要消耗更多的能量，從而抑制裂紋擴展，提高其強度，降低干燥收縮值。

3 結論

①通過在漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥基體中加入適量的納米SiO2，有效提高其抗壓強度，試樣達28 d齡期，抗壓強度最高提高了23.3%。②通過在漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥基體中加入適量的納米SiO2，有效提高其抗折強度，試樣達28 d齡期，抗折強度最高提高了27.2%。③通過在漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥中加入納米SiO2，使裂紋尖端有納米粒子的存在，裂紋擴展過程中，遇到納米粒子，產生橋聯作用，需要消耗更多的能量，從而抑制裂紋擴展，提高其強度，降低干燥收縮值，這是納米SiO2能夠提高漂珠-堿式硫酸鎂發泡水泥抗壓及抗折強度的主要原因之一。