摻納米Si3 N4粉體的水泥性能研究

杜惠榮

(石家莊建工商品混凝土股份有限公司，河北石家莊050025)

提高水泥性能的技術(shù)是21世紀(jì)水泥基材料研究的重點［1-2］，而采用添加某種礦物納米粉體對材料進行改性，是材料進化的主要途徑之一［3-5］。因此，利用納米Si3N4粉體技術(shù)改造傳統(tǒng)水泥工業(yè)，使水泥成為具有高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、符合環(huán)保要求的高性能水泥，對傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)技術(shù)的升級換代及水泥行業(yè)的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實意義。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

納米Si3N4粉體:合肥開爾納米技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司;水泥:42.5(鹿泉市曲寨水泥廠);砂子:ISO標(biāo)準(zhǔn)砂;水:自來水。

1.2 試驗方法

(1)凈漿試驗。成型尺寸為20 mm×20 mm×20 mm的立方體水泥凈漿試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至1 d、3 d、7 d和28 d，測定其抗壓強度。

(2)膠砂試驗。成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體水泥膠砂試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至1 d、3 d、7 d和28 d，測定其抗折強度和抗壓強度。

(3)耐腐蝕性試驗。將標(biāo)養(yǎng)28 d的水泥凈漿試件取出，分別浸泡在5%HCl溶液、5%NaOH溶液和5%Na2SO4溶液中至28 d，測其抗壓強度。

2 試驗結(jié)果與分析

(1)納米Si3N4粉體對水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間和安定性的影響。納米Si3N4粉體對水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間和安定性的影響的測試結(jié)果見表1。由表1可見，當(dāng)納米Si3N4粉體在水泥中的摻量不大于6%，隨其摻量在水泥中的增加，水泥的凝結(jié)時間逐漸縮短，安定性均合格;但當(dāng)納米Si3N4粉體的摻量達(dá)到8%時，凝結(jié)時間突然增大，而且安定性不良。所以，本實驗條件下，納米Si3N4粉體改性水泥的摻量應(yīng)不超過6%。

表1 水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性實驗結(jié)果

(2)納米Si3N4粉體對水泥凈漿抗壓強度的影響。不同納米Si3N4粉體摻量的水泥凈漿，在不同齡期抗壓強度的測試結(jié)果見圖1。由圖1可見，隨著納米Si3N4粉體摻量的增加，水泥凈漿的抗壓強度增大，且當(dāng)納米Si3N4粉體摻量為6%時，水泥凈漿的抗壓強度達(dá)到最大值。

(3)納米Si3N4粉體對水泥膠砂的抗壓強度和抗折強度的影響。不同納米Si3N4粉體摻量的水泥膠砂，在不同齡期抗壓強度和抗折強度的測試結(jié)果分別見圖2和圖3。由圖2和圖3可以看出，水泥膠砂抗壓強度和抗折強度隨納米Si3N4粉體摻量的增加變化趨勢基本一致，均隨其摻量的增大而增大，且當(dāng)其摻量為6%時，水泥膠砂的抗折和抗壓強度均達(dá)到最大。因此，對于水泥膠砂來說，納米Si3N4粉體的最佳摻量為6%。

(4)納米Si3N4粉體對水泥凈漿的耐腐蝕性的影響規(guī)律。對不同納米Si3N4粉體摻量的水泥膠砂進行耐腐蝕性試驗，測試結(jié)果見圖4。由圖4可見，摻入納米Si3N4粉體可以在很大程度上改善水泥的耐腐蝕性能。其中，對于水泥膠砂的耐酸及耐硫酸鹽腐蝕性，納米Si3N4粉體的最佳摻量均為6%;對于水泥的耐堿腐蝕性，結(jié)合其安定性，納米Si3N4粉體的最佳摻量為4%。

圖1 納米Si3 N4粉體摻量對水泥凈漿的抗壓強度影響折線圖

圖2 納米Si3N4粉體摻量對水泥膠砂的抗壓強度影響折線圖

3 機理分析

圖5、圖6、圖7和圖8分別是空白水泥試樣和摻入納米Si3N4粉體的水泥試樣7 d漿體的SEM圖。對比SEM圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著納米Si3N4粉體的摻入，水泥漿體的水化產(chǎn)物分布更加均勻，使得結(jié)構(gòu)更加密實，從而提高了強度及耐腐蝕性。

4 結(jié)論

通過上述研究，得出了以下結(jié)論:

(1)納米Si3N4粉體的摻入可對水泥的凝結(jié)時間有所調(diào)節(jié)，且在摻量不超過6%時，不影響水泥的安定性。

圖3 納米Si3N4粉體摻量對水泥膠砂的抗折強度影響

圖4 納米Si3 N4粉體摻量對水泥凈漿耐腐蝕性影響

圖5 空白水泥試樣7 d漿體SEM圖

圖6 摻入1%粉體試樣7 d漿體SEM圖

圖7 摻入4%粉體試樣7 d漿體SEM圖

圖8 摻入6%粉體試樣7 d漿體SEM圖

(2)納米Si3N4粉體的摻入可以提高水泥及膠砂的力學(xué)性能及耐腐蝕性。其中，對于水泥膠砂的耐酸及耐硫酸鹽腐蝕性，納米Si3N4粉體的最佳摻量均為6%;對于水泥的耐堿腐蝕性，結(jié)合其安定性，納米Si3N4粉體的最佳摻量為4%。

［1］隋同波，文寨軍.我國水泥工業(yè)的綠色化發(fā)展方向［J］.中國水泥，2003(10):41-46.

［2］高長明.21世紀(jì)水泥工業(yè)的歷史使命［J］.水泥，1997(1):1-5.

［3］吳中偉.高性能混凝土及其礦物細(xì)摻料［J］.建筑技術(shù)，1999，30(3):160-163.

［4］牛全林，馮乃謙，楊靜.礦物質(zhì)超細(xì)粉在水泥粉體中填充效果的分析［J］.硅酸鹽學(xué)報，2004，32(1):30-35.

［5］向宇，趙鳴.超細(xì)粉體技術(shù)在無機礦物填料中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀［J］.山西化工，2003，23(2):14-16.