《现代混凝土的微观结构测试与分析》专题——纳米二氧化硅对混凝土界面过渡区的改性机制及其多尺度模型

徐  晶，王先志 
(同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804)

摘  要：从宏观和微观尺度上研究了纳米 SiO₂改性对早龄期混凝土中界面过渡区(ITZ)力学行为的影响。测试了混凝土的强度及弹性模量，采用纳米压痕技术并结合统计手段对 ITZ 进行了表征。同时，从 2 个尺度层面分别建立了模型进行分析。结果表明：纳米 SiO₂的掺入有效提高了早龄期混凝土的综合力学性能，并主要提高了ITZ 的力学性能，使 ITZ 与浆体本体的模量比从 50%提升到 80%。纳米 SiO₂ 改性机制以加速水化反应为主，在早期生成大量水化产物，尤其是低密度水化硅酸钙凝胶，进而填充微孔，改善 ITZ 的微观组织结构。

关键词：混凝土；界面过渡区；纳米二氧化硅；纳米压痕

中图分类号：TU502    文献标志码：A   

文章编号：0454–5648(2018)08–1053–06

网络出版时间：2018–05–24        

收稿日期：2018–01–22。   

修订日期：2018–02–26。

基金项目：

国家自然科学基金(51378011)；

国家重点研发计划(2016YFC0700802)。

通信作者：徐  晶(1984—)，男，博士，副教授。

前言

众所周知，由于骨料的边壁、泌水等效应，会造成混凝土中的骨料/浆体界面过渡区(ITZ)成为整体的“最弱一环”，从而严重影响混凝土的力学性能 及耐久性^[1–4]。为改善该薄弱区域，国内外研究者做了大量的研究工作^[5–7]。Mindess 等^[8]认为掺入硅灰是其中最有效的方法之一，这主要在于硅灰的高火山灰活性和填充效应能有效减少ITZ 中定向排列的 Ca(OH)₂晶体和孔隙。

近年来，随着纳米技术的蓬勃发展，对混凝土，尤其是对 ITZ 进行纳米改性受到了人们的广泛关注，而纳米SiO₂是其中的典型代表^[9–11]。相比硅灰， 纳米 SiO₂有更高的比表面积，因而具备更强烈的火山灰效应和填充作用，并且纳米 SiO₂还具备成核效应^[12–13]。Said 等^[14]曾报道纳米 SiO₂的物理和化学作用能显著提高 ITZ 的致密度。Zhang 等^[15–16]则发现， 在同等流动性前提下，掺入纳米 SiO₂能改善混凝土孔结构和微缺陷，ITZ 也不再是混凝土薄弱环节。然而，目前针对 ITZ 纳米改性后的性能研究仍偏重于基于图像分析等手段的定性描述，尤其缺乏对其力学行为的定量表征。本工作将从宏观和微观尺度分别研究纳米SiO₂改性后混凝土ITZ的早龄期力学性能，并尝试从 2 个尺度层面进行建模，以定量分析改性后 ITZ 的性能变化。

结论

纳米 SiO₂ 改性能有效提高早龄期混凝土的综合力学性能，尤其能够改善ITZ 的微观组织结构， 使得 ITZ 与浆体本体的模量比从50%提高到 80%。 纳米 SiO₂ 对混凝土早龄期水化改性机制以加速水化反应为主，形成大量的水化产物，尤其是 LD C-S-H 凝胶相，从而填充微孔，并提升整体致密程度。

文中部分分图表