纳米矿粉在水泥基材料中的作用研究综述

基于各种宏观试验和微观检测，各国对纳米矿粉在水泥基材料中作用机理的研究如火如荼，得到了不少有价值的结论。纳米矿粉在水泥基材料中的作用机理主要有:填充效应，水化活性，晶核作用，以及改善界面过渡区等。

水泥基材料水化内部微观结构是由未水化的水泥颗粒、水化产物及毛细孔等组成的，而纳米矿粉微粒因尺寸比水泥颗粒或矿物掺合材超细粉小数个数级，在水泥基复合材料中充当“微骨料”。纳米矿粉微粒能充填10～100 nm 的微孔隙，可以个体或集体的形式填充于水泥基材料内部的毛细孔、气孔或缺陷处，降低水泥基材料中总孔隙率，有效细化孔隙，降低临界孔径，优化水泥基材料孔结构，从而提高水泥基材料的密实度、强度和耐久性。图 1 是在三类复合材料微观体系。

某些纳米矿粉(如 NS)，与普通矿粉(如硅粉)相比，颗粒尺寸更小，表面能更大，且表面有大量不饱和Si-O 残键及不同键合状态的羟基，表面欠氧而偏离了稳态的硅氧结构，这是其他纳米材料所不具备的微观结构特点，因此 NS 有高反应活性，对水泥基材料的性能影响程度更深。

如图 3，由于纳米矿粉表面活性键较多，掺入到水泥基材料中可作为水化过程中“现成”的“晶种”，使水化过程不必存在一个“形成 C-S-H 稳定晶核”的过程，而直接在纳米矿粉微粒的表面继续生长，形成的C-S-H 相，把松散的 C-S-H 凝胶变成纳米矿粉微粒为核心的网状结构，形成整体、均匀、致密的二级界面的最佳状态;且纳米矿粉微粒粒径越小，水化成核点越多，纳米材料晶核作用就越显著。这类模型对晶核作用原理的解释较为科学，目前广为采用。

界面过渡区是水泥基材料的薄弱环节。关于 NS 对水泥基材料结构优化机理的探索中，许多研究者将其归因于 NS 对界面过渡区水化产物及其结构不均匀性的改善。

如有研究采用 NS 浸渍或包裹骨料表面，减少了界面过渡区的孔隙率和裂缝数量、达到了优化目的。在水化过程中，纳米矿粉(如 NC、NS)中的活性成分除了与水泥水化产物中的 Ca(OH) 2 反应，增强水泥基材料的密实性外，也使水化产物的晶体尺寸变小，随时间推移，界面过渡结构逐步得到有效改善。Ji 的研究亦表明，纳米矿粉细化晶粒，提高界面过渡区硬度，使界面过渡区结构均匀化。

以上观点均较为合理地解释了混凝土界面过渡区优化的原因。

总体上，纳米矿粉材料对拌合物流变性影响研究较少，且主要集中于 NS，而 NS 在水中分散效果不佳，也不利于研究的进行。作为纳米材料的共性特征，纳米矿粉颗粒细小、比表面积大，导致材料需水量改变，进而影响水泥基浆体的流变性和凝结时间。

不同研究者在研究纳米矿粉对材料强度的影响时，所掺纳米矿粉的量相差较大，因而试验结果也有较大差异。如:Jo 等的研究显示，NS 掺量 6% 时可提高水泥基材料的 7 d 强度，且增长幅度达到 152%;Nazari得出的试验结论为占水泥基材料质量 4%的 NS 可提高混凝土强度 70%;Shih 等将0. 6%的溶胶态 NS加入水泥基材料中，提高水泥基净浆强度达 43. 8%;Li 等发现 3%和 5%的 NS 掺量可提高水泥基砂浆 28d 抗压强度达 13. 8%和 17.5%。

NC 掺入水泥基材料后，抗折强度及抗压强度均有显著提高。除 NS、NC 外，其他不同纳米矿粉对水泥基材料的改性效果不同，亦可不同程度提高水泥基材料的力学性能。

在探究纳米矿粉改善水泥基材料耐久性上，有资料证实，与未添加纳米矿粉材料的基准水泥抗渗性对比试验中，NS 掺量在一定范围内，其渗透系数呈现降低的趋势，并且存在一个抗渗性最优点。

目前，纳米矿粉在水泥基材料中的实际工程应用较少，但基于对不同纳米矿粉颗粒在水泥基材料中作用机理的深入研究，有望在制备超高强高性能、长寿命混凝土中发挥作用，尤其以 NT 等功能性纳米材料所产生的自清洁和光催化效应最具发展前景。

伴随着材料微观试验技术的愈来愈普及化，对于纳米矿粉在水泥基材料中的作用机理和影响的揭示逐渐明朗。然而总体而言，由于纳米矿粉对水泥基材料作用机理和影响的研究历程相对较短，缺乏系统的理论及试验支撑，关于这方面的研究尚处于探索阶段。现阶段，国内虽已有相关研究，但起步较晚、技术水平比较落后，某些方面成果过于片面和零散，对纳米矿粉在水泥基材料中的作用机理研究还存在着盲点，对其最佳掺量仍存在争议，及其对水泥基材料的体积稳定性的影响尚未见系统研究等等，是今后亟待进一步深入开展的工作，意义重大。

文章节选自：硅酸盐通报

作者：高博,陈瑜,唐旗