0 引言

现代意义上的硅酸盐水泥发展已有两百多年，在当今世界硅酸盐水泥及其混凝土已成为最大宗最重要的建筑材料，且广泛应用于建筑工程中。但传统的硅酸盐水泥存在着很大不足，渐渐地与当今的理念与需求不符：一方面，水泥的生产造成了大量的资源和能源的浪费，并且会排放大量的温室气体；另一方面，水泥基材料如混凝土等也存在着力学性能和耐久性能不足的缺点，这导致了工程建筑难以满足更高的性能指标和过短的预期寿命^[1]。因此，对于传统硅酸盐水泥进行纳米改性来提高水泥的力学性能和耐久性能，来改善混凝土的性能，从而满足复杂特殊结构工程和延长大型建筑工程寿命，这成为了水泥行业势不可挡的前进方向^[2]。

纳米材料是一个新兴的研究方向，它将传统的宏观尺度缩小到了1~100nm的范围来对材料进行研究，这个颗粒尺寸范围内许多大尺度下微乎其微的作用效应如晶粒小尺寸效应、界面效应、量子尺寸效应也将产生难以忽视的影响，从而赋予材料各种特殊的性能^[3]。研究表明，在水泥中掺加纳米粒子，可不同程度改变其力学性能^[4-7]、流动性^[5]、抗侵蚀^[6]、抗渗性^[7]、抗冻性^[8]等性能。纳米二氧化硅属于无机非金属纳米材料，具有吸附性强、比表面积大、纯度高、可塑性良好、高磁阻性和低热导性等特性，已被广泛应用于生物医学、电子冶金、航空航天以及催化剂载体等领域。其已成为了发展前途广阔的新型无机材料，为大量相关行业的发展提供了良好的基础^[9]。

1 研究现状

1.1 掺入纳米二氧化硅对水泥耐久性的影响机制

纳米SiO₂具有粒径小、比表面积高的特性，在水泥中掺杂纳米二氧化硅可以促进水泥的水化，并且能够对水化产物C-S-H凝胶之间的结合空隙进行填充，从而改善水泥与骨料的界面微结构，使水泥基材料的力学性能、抗渗性以及耐久性都得到明显提高^[10]。此外，纳米SiO₂具有高的火山灰活性，还可以与水泥中C₃S等的水化产物Ca(OH)₂进行反应，生成化学键，形成更多的C-S-H凝胶，降低Ca(OH) ₂的含量和晶体尺寸降低，改善了界面状况，降低了水泥石中的空隙率，从而改善了水泥浆体的性能，一定程度提高水泥基材料的抗渗、抗冻及抗化学侵蚀能力^[2,11,12]。

1.2 纳米二氧化硅的制备方法及其掺杂方式

不同制备方法的产品在性能与特性上存在着一定的差异，添加入水泥中也会产生差异化的结果^[13,14,26]。当前，纳米二氧化硅的主要制备方法有干法和湿法两类， 湿法包括溶胶-凝胶法、沉淀法、微乳液法等；干法有气相法和电弧法等^[15]。由溶胶-凝胶法制备所得的纳米二氧化硅颗粒分散性好，尺寸可控，表面的硅羟基可改性功能化^[16]。化学沉淀法原理制得的产品比表面积大，分散性好^[17]。而气相法原理，产物纯度大于99.8%，且具有极好介电性能^[18]。

在水泥中掺杂纳米二氧化硅的方式主要有两种：第一种，在干燥状态下与水泥拌合均匀，再制备成混凝土；另一种是先利用其亲水性溶于水来制备混凝土。大量实验表明，只有在水泥混凝土的拌合物中纳米SiO₂充分均匀分散，才能产生优良的耐久性。研究发现，干燥状态拌和的制备方式不能完全体现纳米SiO₂的性能优势。这是因为纳米二氧化硅容易团聚，与水泥拌合后会形成大量的小团聚体包裹在水泥颗粒中，不能充分均匀地分散。所以，常采用第二种方式掺杂。

1.3 影响水泥耐久性能的因素