鋁溶膠改性水泥基復合材料性能研究

　　摘要：以鋁溶膠作為外摻物質，研究了不同摻量鋁溶膠對水泥基復合材料流動度、力學性能、耐磨性能的影響，并分別對其機制進行了分析。試驗結果表明：隨著鋁溶膠摻量的增加，水泥基復合材料流動度逐漸降低，當鋁溶膠質量分數為3%時，振動后幾乎無流動度;在不同齡期下，試件的抗折及抗壓強度隨著鋁溶膠摻量的增加總體表現為先增加后降低，當鋁溶膠質量分數在2%左右時，水泥基復合材料抗折及抗壓強度均達到最佳;在鋁溶膠質量分數為3%時，試件的耐磨性能顯著增強。

　　本文源自合成纖維,2020,49(09):49-53.《合成纖維》(月刊)創刊于1972年，是由國家科委批準、國內外公開發行的國家級合纖技術類刊物。它主要報道我國合成纖維工業的科研和生產方面的技術成果，如合成纖維新產品的開發應用、新型合成纖維加工設備和助劑等，介紹世界合成纖維工業科學技術的發展動向，已越來越受到國內外同行的關注，適合于從事石油化工、高分子材料和合成纖維生產、科研、設計、加工應用及管理部門的專家、工程技術人員和大專院校師生閱讀。

　　地坪修補材料在使用過程中要不斷經受沖擊、振動、疲勞和磨損，隨著車輛、物資等載荷的不斷增大，對地坪材料相關性能也提出了更高的要求。另外，地坪修補材料本身作為薄層結構，更易受到沖擊、疲勞和磨損破壞，因此，改善地坪修補材料性能，以提高地坪耐磨耗、抗重載沖擊性能就顯得尤為重要。

　　納米材料因小尺寸效應和表面界面效應，其比表面積及表面原子數遠大于常規材料，并造成納米材料表面原子配位嚴重不足，從而產生大量不飽和鍵，具有很高的表面活性，易與其他原子結合[1]。目前針對納米材料水泥基復合材料的性能研究，已經發展到多維度[2]。向水泥基材料中摻入納米材料，一方面利用其高反應活性迅速地與水泥水化產生的CH發生反應，生成有利于強度發展的C—S—H、C—A—H等凝膠體[3,4];另一方面，細小的納米顆粒能夠作為微集料填充在水泥基材料內部，減少空隙，提高密實度[5,6]。

　　目前，相關研究主要以納米SiO2[7,8]為主，也有關于納米CaCO3[9,10]、TiO2[11]、Fe2O3[12]以及碳納米管[13]等的相關研究。對于納米粉體材料的研究居多，對納米溶膠的研究還很少，特別是對鋁溶膠在水泥基材料中的應用還少見報道，缺乏相應的理論和試驗研究。

　　本試驗選擇鋁溶膠作為外摻物質，研究了不同摻量鋁溶膠對水泥基復合材料的流動度、力學性能、耐磨性能的影響，并分別對其機制進行了分析。

　　1、試件概況

　　1.1試件制備

　　水泥采用拉法基42.5級普通硅酸鹽水泥。標準砂，粒徑為0.1～0.6mm。鋁溶膠為廣東省東莞市鹽峰化工有限公司生產，含固量為30%。減水劑為聚羧酸減水劑，減水率為29%。水為重慶本地自來水。以鋁溶膠摻量變化共設置了質量分數分別為0、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%七組不同工況的試件，七組試件分別編號為L0～L6，各組具體配合比設計見表1。采用機械攪拌，各組試件分別制作3、7、28d三個齡期。

　　1.2試驗方法

　　1.2.1流動性

　　砂漿流動度試驗參照GB/T2419—1994《水泥膠砂流動度測定方法》，采用NLD3型水泥膠砂流動度測定儀(又稱“跳桌”)，跳動30次后，用鋼尺測量摻鋁溶膠水泥砂漿底面最大擴散直徑及與其垂直的直徑，計算平均值，取整數，即為砂漿流動度。

　　表1配合比下載原表

　　表1配合比

　　1.2.2力學性能

　　參照GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》，抗折及抗壓強度試驗均采用TYEH-2000型微機控制恒加載壓力試驗機。

　　1.2.3耐磨性能

　　參照JC421—2004《水泥膠砂耐磨性試驗方法》，采用TMS—04型水泥膠砂耐磨性試驗機進行砂漿耐磨性能試驗，以磨損量來表征其耐磨性能。

　　2、結果與分析

　　2.1流動度

　　由圖1可知，當鋁溶膠摻量增加時，水泥砂漿試件流動度逐漸下降，且影響顯著。當鋁溶膠質量分數為3%時，砂漿流動度較參照試件下降了約36.2%，下降幅度明顯，振動后幾乎沒有流動度。砂漿試件不摻鋁溶膠時，其跳桌流動度為165mm，砂漿試件流動度較好，振實臺振搗后成型密實;當砂漿試件中摻入質量分數為3%鋁溶膠時，其流動度降為104mm，試件幾乎不流動，成型后結構產生更多更大的空隙。試驗表明，當鋁溶膠在砂漿中摻量過大，會使得砂漿很難密實成型，產生更多的內部缺陷，從而對砂漿性能產生負面影響。因此，鋁溶膠摻量要維持在一個合適的范圍內，而并不是摻量越多越好。摻入鋁溶膠使砂漿試件流動度下降的原因可能是由于鋁溶膠中納米Al2O3顆粒細小，具有極高的表面能和比表面積，由于范德華力，納米材料會吸附自由水導致砂漿流動度下降[8]。另外，鋁溶膠自身黏度范圍很寬，具有較強的增黏效果，因此將其摻入砂漿中也會導致砂漿流動度的降低。

　　圖1水泥復合材料流動度隨鋁溶膠摻量的變化

　　2.2力學性能

　　2.2.1抗折強度

　　由圖2可知：在相同鋁溶膠摻量的條件下，水泥基復合材料試件抗折強度隨著齡期的增長而逐漸增大;在不同齡期下，水泥基復合材料試件抗折強度隨鋁溶膠摻量的增加均表現為先增加后降低。當鋁溶膠質量分數為2%時，試件抗折強度達到峰值。此時，試件的3、7、28d抗折強度分別為9.56MPa、10.75MPa和12.43MPa，較參照試件分別提高了11.2%、12%和7.8%。當鋁溶膠質量分數超過2%時，試件各齡期抗折強度隨著鋁溶膠摻量的增加反而降低，且降幅明顯。說明摻入適量的鋁溶膠能促進其抗折強度，但摻量過多反而對抗折強度產生負面影響。

　　圖2不同齡期試件抗折強度隨鋁溶膠摻量的變化

　　2.2.2抗壓強度

　　由圖3可知：在相同鋁溶膠摻量下，各配比水泥基復合材料試件抗壓強度均隨著齡期的增長而逐漸增大;各齡期下鋁溶膠水泥基復合材料試件的抗壓強度隨鋁溶膠摻量的增加均呈現出先增加后降低的趨勢。水泥基復合材料試件抗壓強度在鋁溶膠質量分數為2%時也達到了峰值。當摻量超過2%時，各齡期水泥基復合材料試件抗壓強度反而逐漸降低。但3d和7d水泥基復合材料試件抗壓強度仍高于未摻鋁溶膠的參照試件，然而28d水泥基復合材料試件抗壓強度在鋁溶膠質量分數為3%時低于參照試件。

　　圖3不同齡期試件抗壓強度隨鋁溶膠摻量的變化

　　綜上所述，并非鋁溶膠摻量越高，對水泥基復合材料力學性能改善效果越好，僅當鋁溶膠摻量控制在一個合適的范圍內，才能更好地改善其力學性能。究其原因可能在于鋁溶膠中的納米Al2O3具有高反應活性和小尺寸效應，隨著鋁溶膠摻入水泥砂漿試件中，納米Al2O3能與水泥水化產生的CH發生二次反應，從而促進水泥水化進程，生成更多有利于砂漿強度的C—S—H、C—A—H等凝膠。同時，細小的納米Al2O3顆粒能夠作為晶核，使水化產物在晶核表面優先沉積，限制了CH晶體的生長，加速了凝膠的生成;另外，納米Al2O3顆粒尺寸細小，能夠作為“微集料”填充在砂漿試件內部細微空隙之中。

　　由于鋁溶膠這兩方面的作用使得復合材料內部結構變得更加均勻密實，從而使其力學強度得以提高。然而，當鋁溶膠摻量過多，一方面使得水泥基復合材料流動度大幅度下降難以成型密實，造成試件內部結構中產生較多細微空隙和缺陷;另一方面，過多的鋁溶膠容易發生膠凝團聚，使鋁溶膠中納米顆粒活性降低，且在復合材料內部產生結團絮狀物而成為薄弱環節，因此鋁溶膠摻量過多，對試件力學性能會產生負面影響。

　　2.3耐磨性能

　　從圖4可知：隨著齡期的增長，各組鋁溶膠水泥基復合材料試件的單位面積磨損量均呈現出下降趨勢，相應耐磨性能均隨著齡期的增長而增強;隨著鋁溶膠摻量的增加，復合試件單位面積磨損量均降低，可見鋁溶膠摻入水泥砂漿中，能顯著改善其耐磨性能，但在不同齡期下，隨著鋁溶膠含量的增加，磨損量降低幅度有減小的趨勢。砂漿的磨損就是表面材料經受著裂紋形成、擴展、失穩擴展及碎屑脫離本體這一循環過程[15]。毛波[16]認為納米SiO2對混凝土耐磨性能的改善機制可以從兩個方面去分析，一是納米SiO2顆粒對水泥漿體微觀結構的改善，另一方面是納米SiO2顆粒對水泥漿體與集料之間黏結界面結構的改善。參考于此，可從鋁溶膠對水泥漿體微觀結構和水泥基體與集料黏結界面結構的改善兩個方面分析鋁溶膠對砂漿耐磨性能的增強機制。

　　圖4不同齡期試件單位面積磨損量隨鋁溶膠摻量的變化

　　2.3.1鋁溶膠對水泥漿體微觀結構的改善

　　鋁溶膠為納米Al2O3顆粒在水中的懸浮液，納米Al2O3顆粒具有高反應活性，能加速水泥水化生成的CH反應[17]，促進水化反應的進行，生成更多對強度有利的產物。同時，納米Al2O3顆粒可作為晶核，使水化產物在其表面優先沉積，限制CH的生長，使砂漿的水化結晶程度合理，提高了水泥基體的均勻性和密實度，從而改善了砂漿耐磨性能。

　　2.3.2鋁溶膠對水泥基體與集料黏結界面結構的改善

　　鋁溶膠對水泥基體與集料黏結界面結構的改善主要體現在鋁溶膠中的納米Al2O3顆粒對基體與集料之間黏結界面的改性及降低了黏結界面孔隙率兩個方面。由于黏結界面區疏松多孔，且伴有定向排列的CH晶體[18]，使得水泥基體與集料之間的黏結界面成為砂漿內部結構的一個薄弱環節。隨著鋁溶膠的摻入，由于溶膠中納米Al2O3顆粒的“晶核”效應和小尺寸效應，一方面限制了水化產物CH晶體的生長，使其數量減少、晶粒細化以及取向度得到降低，從而使水泥基體與集料之間的黏結變得更緊密;另一方面，細化的CH晶體、C—S—H等凝膠、未反應的納米Al2O3顆粒等能更好地填充在黏結界面疏松多孔的網絡結構中，使黏結界面孔隙率降低，提高了黏結界面的致密程度，從而使得砂漿耐磨性能得到增強。

　　然而鋁溶膠摻入過量，對砂漿耐磨性能反而產生負面影響。這主要是因為大量鋁溶膠摻入會顯著影響砂漿漿體流動度，造成砂漿成型困難;另一方面，鋁溶膠摻入過多，自身會發生膠凝團聚，影響納米Al2O3顆粒“晶核”效應及小尺寸效應的發揮，形成的凝膠體也會成為砂漿內部一個薄弱環節，從而導致砂漿耐磨性能降低。

　　3、結語

　　本試驗通過在水泥砂漿中摻入不同摻量的鋁溶膠制備鋁溶膠水泥基復合材料，研究了鋁溶膠摻量對砂漿流動度、力學性能、耐磨性能及抗沖擊性能的影響，得出如下結論：

　　(1)當鋁溶膠摻量增加時，砂漿流動度逐漸降低。當鋁溶膠質量分數為3%時，砂漿流動度較參照試件下降了約36.2%，振動后幾乎無流動度。

　　(2)在3、7、28d不同齡期下，鋁溶膠水泥基復合材料抗折及抗壓強度隨著鋁溶膠摻量的增加總體表現為先增加后降低。當鋁溶膠質量分數為2%時，水泥基復合材料不同齡期的抗折強度、抗壓強度均達到最大值。鋁溶膠質量分數在2%左右時，增強性能達到最佳。

　　(3)隨著鋁溶膠摻量的增加，復合試件單位面積磨損量均降低，但降低幅度漸趨平緩。

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