论文总字数：32230字

摘 要

水泥基胶凝材料作为传统建筑材料之一存在许多优点的同时其耐久性等问题在一定程度上制约了其发展。因对水泥石强度起重要作用的C-S-H凝胶即处于纳米尺度，纳米材料作为新型功能材料便于之存在着天然的联系。随着纳米技术的发展，纳米材料也逐步渗透到建筑材料领域。本文将纳米SiO₂和纳米CaCO₃掺到水泥浆体中，通过实验研究其对水泥浆体新拌性能和力学性能的影响，并利用XRD、压汞手段对其机理进行了初步探讨。

本文的主要研究结果如下：1.对于新拌浆体性能，纳米SiO₂较大程度上增加了水泥标准稠度需水量，纳米CaCO₃对标准稠度需水量的影响较小。随着纳米颗粒掺量的增加，流动度减小，在掺加高效减水剂后，可以提高水泥浆体的流动性：水泥凝结时间缩短。且实验中所用纳米颗粒掺量并未对安定性带来不良影响。2.掺加纳米SiO₂后水泥砂浆抗压抗折强度的到提高，早期作用更加明显；掺加纳米CaCO₃后水泥砂浆强度出现下降。通过实验结果分析纳米SiO₂最佳掺量为3%，此时3 d、7 d、28 d抗压强度分别提高了33.3%、29.0%、12.0%；掺加纳米CaCO₃的各龄期力学性能出现不同程度下降，原因需要进一步研究探讨。3.通过XRD、压汞实验初步认为纳米颗粒改性水泥基材料作用机理主要为活性作用、填充作用、晶核作用。

关键词：硅酸盐水泥 纳米SiO2 纳米CaCO₃ 力学性能

Effect of nano modification on the morphology ,properties

and structure of cement-based cementitious materials

Abstract

As one of the traditional building materials，cementitious material has many advantages.But its durability restricts its development to some degree.C-S-H gel，which contributes most of the strength of cement stone is at nano scale.So,there are natural contacts between cement-based materials and nano components.With the rapid development of nanotechnology,nanomaterials are speeding into the field of building materials.Nano-SiO₂ and nano-CaCO₃ was mixed into cement-based materials.The effect of nano-SiO₂ and nano-CaCO₃ on the properties of new cement paste and hardened cement paste was studied in this paper.The testing method XRD and mercury intrusion method was used to find the mechanism of modification.

The testing results are as follows:1.Nano-SiO₂ reduced the water demand of fresh slurry clearly.However,nano-CaCO₃ affected it a little.The increase of nanoparticles will reduce the fluidity and setting time.2. Nano-SiO₂ increased the compressive strength and flexural strength,especially at the early age.Nano-CaCO₃ got the opposite results.The optional dosage of nano-SiO₂ was 3%.The compressive strength of 3 d,7 d,28 d were improved 33.3%,29.0%,12.0% respectively.3.The testing method XRD and mercury intrusion method was used .It showed that the main effects of nanoparticles were nucleation ,filling effect and the effect of chemical activity.

Key words:portland cement; nano-SiO₂ ;nano-CaCO₃; mechanical properties

目 录

摘 要 I

Abstract II

1.1 引言 1

1.2 纳米材料性能的简介 1

1.3 纳米混合材的制备方法 2

1.3.1 纳米SiO₂的制备 2

1.3.2 纳米CaCO₃的制备 3

1.4 纳米材料的应用现状 3

1.5 纳米材料在水泥基材料中应用的研究 4

1.5.1 纳米SiO₂对水泥基材料改性的研究 4

1.5.2 纳米CaCO₃对水泥基材料改性的研究 6

1.6 纳米颗粒对胶凝产物改性研究中存在的问题 8

1.7 课题研究内容和目的 9

1.7.1 研究内容 9

1.7.2 研究目的 10

第二章 试验材料及试验方法 11

2.1 试验材料 11

2.2 实验仪器及设备 13

2.3 试验流程图 14

2.4 试验方法 14

2.4.1 P·II水泥性能测试 14

2.4.2 流动度试验 15

2.4.3 标准稠度用水量试验 15

2.4.4 凝结时间测定 15

2.4.5 水泥体积安定性的测试 15

2.4.6 净浆力学性能测试 16

2.4.7 胶砂力学性能测试 16

2.4.8 微观测试 16

2.5 本章小结 17

第三章 纳米材料的掺入对硅酸盐水泥基本性能的影响 18

3.1 前言 18

3.2 纳米材料对水泥标准稠度用水量的影响 18

3.3 纳米材料对水泥净浆凝结时间的影响 20

3.4 纳米材料对砂浆流动度的影响 21

3.5 纳米材料对水泥体积安定性的影响 22

3.6 本章小结 23

第四章 纳米材料的掺入对胶砂力学性能的影响 24

4.1 前言 24

4.2 纳米SiO₂的掺入对胶砂力学性能的影响 24

4.2.1 纳米SiO₂对胶砂抗折强度的影响 24

4.2.2 纳米SiO₂对胶砂抗压强度的影响 25

4.3 纳米CaCO₃的掺入对胶砂力学性能的影响 26

4.3.1 纳米CaCO3对胶砂抗折强度的影响 27

4.3.2 纳米CaCO₃对胶砂抗压强度的影响 28

4.4 本章小结 29

第五章 纳米材料对胶凝材料改性的机理研究 30

5.1 压汞实验结果及分析 30

5.2 XRD测试结果及分析 31

5.3 纳米材料改性水泥基材料机理探讨 33

5.4 本章小结 34

第六章 结论与展望 35

6.1 结论 35

6.2 展望 35

参 考 文 献 36

致谢 38

第一章 绪论

1.1引言

水泥基胶凝材料作为传统建筑材料之一，直至今日仍然在人类日常生活中起着至关重要的作用。优异性能的混凝土更是能够有效的改善人类的居住环境、优化社会中多种工程的设施质量。随着科技的进步以及人类对工程质量需求的提高，对混凝土也有了更高的要求。尤其是如今城市大都是高层建筑林立的水泥森林，现代的土木工程建筑正向着大跨度、轻型的方向发展，且越来越多的地下以及海港工程也需大量使用水泥基胶凝材料，智能化建筑也逐步迈入当今时代的主流，因此，研制出性能优异的水泥基胶凝材料的需求显得十分迫切。

水泥基胶凝材料的质量在很大程度上取决于组成材料的性质和用量，同时也与施工质量密切相关。而从组成材料入手去改善其性能无疑相当于从源头处来解决问题。一直以来，人们通过改变基本组成材料的比例、添加各种外加剂来得到我们所需的胶凝材料的性能。近三十多年来，随着人们对水泥基胶凝材料的微观结构的研究的进一步深入以及纳米材料作为一种备受瞩目的新型功能材料走入人们的生活中，该领域中便出现了通过纳米材料来改善水泥基材料的某些性能。纳米材料的种类繁多，目前应用在水泥基材料中的纳米材料以无机纳米材料为主，我国已有许多学者研究了纳米SiO₂、纳米碳管、纳米粘土颗粒、纳米CaCO₃在水泥基材料中的应用情况，也有相关实验结果表明纳米材料能够有效的优化混凝土的诸如孔结构、力学性能、抗氯离子侵蚀能力等，然而还有许多研究尚未成熟，尤其是纳米材料昂贵的价格将会抬高混凝土的成本以及售价，因此也有相当一部分因素制约着纳米改性胶凝材料的发展速度。关于这一方面的研究，还有许多工作要做。

1.2纳米材料性能的简介

纳米材料广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100 nm^[1]）或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的材料的总称。纳米材料大致可分为纳米颗粒、纳米纤维、纳米薄膜、纳米碳管、纳米复合材料、纳米固体^[2]。由于纳米材料的小尺寸以及特殊的结构，使得它们具有与其他材料不同的性能。纳米材料具有四大特性：小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、表面效应^[1]。这些效应的产生正是因为它的尺寸已达到100nm以下。

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