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探究铝溶胶改性水泥基复合材料性能及其机制

2020-09-19 262 上传者：管理员

摘要：以铝溶胶作为外掺物质，研究了不同掺量铝溶胶对水泥基复合材料流动度、力学性能、耐磨性能的影响，并分别对其机制进行了分析。试验结果表明：随着铝溶胶掺量的增加，水泥基复合材料流动度逐渐降低，当铝溶胶质量分数为3%时，振动后几乎无流动度；在不同龄期下，试件的抗折及抗压强度随着铝溶胶掺量的增加总体表现为先增加后降低，当铝溶胶质量分数在2%左右时，水泥基复合材料抗折及抗压强度均达到最佳；在铝溶胶质量分数为3%时，试件的耐磨性能显著增强。

关键词：
力学性能
化工工业
无机化工
流动度
耐磨性能
铝溶胶
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地坪修补材料在使用过程中要不断经受冲击、振动、疲劳和磨损，随着车辆、物资等载荷的不断增大，对地坪材料相关性能也提出了更高的要求。另外，地坪修补材料本身作为薄层结构，更易受到冲击、疲劳和磨损破坏，因此，改善地坪修补材料性能，以提高地坪耐磨耗、抗重载冲击性能就显得尤为重要。

纳米材料因小尺寸效应和表面界面效应，其比表面积及表面原子数远大于常规材料，并造成纳米材料表面原子配位严重不足，从而产生大量不饱和键，具有很高的表面活性，易与其他原子结合[1]。目前针对纳米材料水泥基复合材料的性能研究，已经发展到多维度[2]。向水泥基材料中掺入纳米材料，一方面利用其高反应活性迅速地与水泥水化产生的CH发生反应，生成有利于强度发展的C—S—H、C—A—H等凝胶体[3,4]；另一方面，细小的纳米颗粒能够作为微集料填充在水泥基材料内部，减少空隙，提高密实度[5,6]。

目前，相关研究主要以纳米SiO2[7,8]为主，也有关于纳米CaCO3[9,10]、TiO2[11]、Fe2O3[12]以及碳纳米管[13]等的相关研究。对于纳米粉体材料的研究居多，对纳米溶胶的研究还很少，特别是对铝溶胶在水泥基材料中的应用还少见报道，缺乏相应的理论和试验研究。

本试验选择铝溶胶作为外掺物质，研究了不同掺量铝溶胶对水泥基复合材料的流动度、力学性能、耐磨性能的影响，并分别对其机制进行了分析。

1、试件概况

1.1试件制备

水泥采用拉法基42.5级普通硅酸盐水泥。标准砂，粒径为0.1～0.6mm。铝溶胶为广东省东莞市盐峰化工有限公司生产，含固量为30%。减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为29%。水为重庆本地自来水。以铝溶胶掺量变化共设置了质量分数分别为0、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%七组不同工况的试件，七组试件分别编号为L0～L6，各组具体配合比设计见表1。采用机械搅拌，各组试件分别制作3、7、28d三个龄期。

1.2试验方法

1.2.1流动性

砂浆流动度试验参照GB/T2419—1994《水泥胶砂流动度测定方法》，采用NLD3型水泥胶砂流动度测定仪(又称“跳桌”)，跳动30次后，用钢尺测量掺铝溶胶水泥砂浆底面最大扩散直径及与其垂直的直径，计算平均值，取整数，即为砂浆流动度。

表1配合比下载原表

表1配合比

1.2.2力学性能

参照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》，抗折及抗压强度试验均采用TYEH-2000型微机控制恒加载压力试验机。

1.2.3耐磨性能

参照JC421—2004《水泥胶砂耐磨性试验方法》，采用TMS—04型水泥胶砂耐磨性试验机进行砂浆耐磨性能试验，以磨损量来表征其耐磨性能。

2、结果与分析

2.1流动度

由图1可知，当铝溶胶掺量增加时，水泥砂浆试件流动度逐渐下降，且影响显著。当铝溶胶质量分数为3%时，砂浆流动度较参照试件下降了约36.2%，下降幅度明显，振动后几乎没有流动度。砂浆试件不掺铝溶胶时，其跳桌流动度为165mm，砂浆试件流动度较好，振实台振捣后成型密实；当砂浆试件中掺入质量分数为3%铝溶胶时，其流动度降为104mm，试件几乎不流动，成型后结构产生更多更大的空隙。试验表明，当铝溶胶在砂浆中掺量过大，会使得砂浆很难密实成型，产生更多的内部缺陷，从而对砂浆性能产生负面影响。因此，铝溶胶掺量要维持在一个合适的范围内，而并不是掺量越多越好。掺入铝溶胶使砂浆试件流动度下降的原因可能是由于铝溶胶中纳米Al2O3颗粒细小，具有极高的表面能和比表面积，由于范德华力，纳米材料会吸附自由水导致砂浆流动度下降[8]。另外，铝溶胶自身黏度范围很宽，具有较强的增黏效果，因此将其掺入砂浆中也会导致砂浆流动度的降低。

图1水泥复合材料流动度随铝溶胶掺量的变化

2.2力学性能

2.2.1抗折强度

由图2可知：在相同铝溶胶掺量的条件下，水泥基复合材料试件抗折强度随着龄期的增长而逐渐增大；在不同龄期下，水泥基复合材料试件抗折强度随铝溶胶掺量的增加均表现为先增加后降低。当铝溶胶质量分数为2%时，试件抗折强度达到峰值。此时，试件的3、7、28d抗折强度分别为9.56MPa、10.75MPa和12.43MPa，较参照试件分别提高了11.2%、12%和7.8%。当铝溶胶质量分数超过2%时，试件各龄期抗折强度随着铝溶胶掺量的增加反而降低，且降幅明显。说明掺入适量的铝溶胶能促进其抗折强度，但掺量过多反而对抗折强度产生负面影响。

图2不同龄期试件抗折强度随铝溶胶掺量的变化

2.2.2抗压强度

由图3可知：在相同铝溶胶掺量下，各配比水泥基复合材料试件抗压强度均随着龄期的增长而逐渐增大；各龄期下铝溶胶水泥基复合材料试件的抗压强度随铝溶胶掺量的增加均呈现出先增加后降低的趋势。水泥基复合材料试件抗压强度在铝溶胶质量分数为2%时也达到了峰值。当掺量超过2%时，各龄期水泥基复合材料试件抗压强度反而逐渐降低。但3d和7d水泥基复合材料试件抗压强度仍高于未掺铝溶胶的参照试件，然而28d水泥基复合材料试件抗压强度在铝溶胶质量分数为3%时低于参照试件。

图3不同龄期试件抗压强度随铝溶胶掺量的变化

综上所述，并非铝溶胶掺量越高，对水泥基复合材料力学性能改善效果越好，仅当铝溶胶掺量控制在一个合适的范围内，才能更好地改善其力学性能。究其原因可能在于铝溶胶中的纳米Al2O3具有高反应活性和小尺寸效应，随着铝溶胶掺入水泥砂浆试件中，纳米Al2O3能与水泥水化产生的CH发生二次反应，从而促进水泥水化进程，生成更多有利于砂浆强度的C—S—H、C—A—H等凝胶。同时，细小的纳米Al2O3颗粒能够作为晶核，使水化产物在晶核表面优先沉积，限制了CH晶体的生长，加速了凝胶的生成；另外，纳米Al2O3颗粒尺寸细小，能够作为“微集料”填充在砂浆试件内部细微空隙之中。

由于铝溶胶这两方面的作用使得复合材料内部结构变得更加均匀密实，从而使其力学强度得以提高。然而，当铝溶胶掺量过多，一方面使得水泥基复合材料流动度大幅度下降难以成型密实，造成试件内部结构中产生较多细微空隙和缺陷；另一方面，过多的铝溶胶容易发生胶凝团聚，使铝溶胶中纳米颗粒活性降低，且在复合材料内部产生结团絮状物而成为薄弱环节，因此铝溶胶掺量过多，对试件力学性能会产生负面影响。

2.3耐磨性能

从图4可知：随着龄期的增长，各组铝溶胶水泥基复合材料试件的单位面积磨损量均呈现出下降趋势，相应耐磨性能均随着龄期的增长而增强；随着铝溶胶掺量的增加，复合试件单位面积磨损量均降低，可见铝溶胶掺入水泥砂浆中，能显著改善其耐磨性能，但在不同龄期下，随着铝溶胶含量的增加，磨损量降低幅度有减小的趋势。砂浆的磨损就是表面材料经受着裂纹形成、扩展、失稳扩展及碎屑脱离本体这一循环过程[15]。毛波[16]认为纳米SiO2对混凝土耐磨性能的改善机制可以从两个方面去分析，一是纳米SiO2颗粒对水泥浆体微观结构的改善，另一方面是纳米SiO2颗粒对水泥浆体与集料之间黏结界面结构的改善。参考于此，可从铝溶胶对水泥浆体微观结构和水泥基体与集料黏结界面结构的改善两个方面分析铝溶胶对砂浆耐磨性能的增强机制。

图4不同龄期试件单位面积磨损量随铝溶胶掺量的变化

2.3.1铝溶胶对水泥浆体微观结构的改善

铝溶胶为纳米Al2O3颗粒在水中的悬浮液，纳米Al2O3颗粒具有高反应活性，能加速水泥水化生成的CH反应[17]，促进水化反应的进行，生成更多对强度有利的产物。同时，纳米Al2O3颗粒可作为晶核，使水化产物在其表面优先沉积，限制CH的生长，使砂浆的水化结晶程度合理，提高了水泥基体的均匀性和密实度，从而改善了砂浆耐磨性能。

2.3.2铝溶胶对水泥基体与集料黏结界面结构的改善

铝溶胶对水泥基体与集料黏结界面结构的改善主要体现在铝溶胶中的纳米Al2O3颗粒对基体与集料之间黏结界面的改性及降低了黏结界面孔隙率两个方面。由于黏结界面区疏松多孔，且伴有定向排列的CH晶体[18]，使得水泥基体与集料之间的黏结界面成为砂浆内部结构的一个薄弱环节。随着铝溶胶的掺入，由于溶胶中纳米Al2O3颗粒的“晶核”效应和小尺寸效应，一方面限制了水化产物CH晶体的生长，使其数量减少、晶粒细化以及取向度得到降低，从而使水泥基体与集料之间的黏结变得更紧密；另一方面，细化的CH晶体、C—S—H等凝胶、未反应的纳米Al2O3颗粒等能更好地填充在黏结界面疏松多孔的网络结构中，使黏结界面孔隙率降低，提高了黏结界面的致密程度，从而使得砂浆耐磨性能得到增强。

然而铝溶胶掺入过量，对砂浆耐磨性能反而产生负面影响。这主要是因为大量铝溶胶掺入会显著影响砂浆浆体流动度，造成砂浆成型困难；另一方面，铝溶胶掺入过多，自身会发生胶凝团聚，影响纳米Al2O3颗粒“晶核”效应及小尺寸效应的发挥，形成的凝胶体也会成为砂浆内部一个薄弱环节，从而导致砂浆耐磨性能降低。

3、结语

本试验通过在水泥砂浆中掺入不同掺量的铝溶胶制备铝溶胶水泥基复合材料，研究了铝溶胶掺量对砂浆流动度、力学性能、耐磨性能及抗冲击性能的影响，得出如下结论：

(1)当铝溶胶掺量增加时，砂浆流动度逐渐降低。当铝溶胶质量分数为3%时，砂浆流动度较参照试件下降了约36.2%，振动后几乎无流动度。

(2)在3、7、28d不同龄期下，铝溶胶水泥基复合材料抗折及抗压强度随着铝溶胶掺量的增加总体表现为先增加后降低。当铝溶胶质量分数为2%时，水泥基复合材料不同龄期的抗折强度、抗压强度均达到最大值。铝溶胶质量分数在2%左右时，增强性能达到最佳。

(3)随着铝溶胶掺量的增加，复合试件单位面积磨损量均降低，但降低幅度渐趋平缓。

参考文献:

[1]汪华峰.纳米复合材料的制备及力学性能研究[D].杭州:浙江大学,2005.

[2]潘锐之,张树鹏,郑大鹏,等.多维度纳米增强水泥基复合材料的研究进展[J].材料导报,2017,31(19):97-103.

[3]杜祥飞.纳米SiO2团聚特性及其对水泥基材料性能的影响与机理[D].杭州:浙江工业大学,2012.

[4]吕生华,刘晶晶,邱超超,等.纳米氧化石墨烯增强增韧水泥基复合材料的微观结构及作用机理[J].功能材料,2014(4):4084-4089.

[11]熊国宣,邓敏,徐玲玲,等.掺纳米TiO2的水泥基复合材料的性能[J].硅酸盐学报,2006,34(9):1158-1161.