论文总字数：26403字

摘 要

近年来，纳米材料和纳米粒子在水泥基材料中的运用越来越广泛。纳米材料能够显著改善水泥基材料机械性能、微观结构以及耐久性等方面的性能。本课题将研究一种新的纳米粒子外加剂C-S-H对水泥基复合胶凝材料性能的影响。通过等温量热方法探究加入纳米C-S-H后对复合胶凝体系水化进程的影响；通过XRD方法测定了不同组分复合胶凝体系在不同龄期下的水化产物，研究纳米C-S-H粒子对复合胶凝体系水化成分的影响；通过水泥胶砂强度测试和混泥土强度测试对加入纳米C-S-H粒子的水泥基复合胶凝材料体系的机械性能进行评价。结果表明，外加剂的掺入并没有改变水泥水化产物的组成，但显著促进了水泥水化，同时提高了水泥砂浆、混凝土的早期力学性能。

关键词：纳米材料 纳米C-S-H粒子 水化 抗压强度

Effects of nano-C-S-H particles on hydration and properties of composite cementitious materials

Abstract

In recent years, nanomaterials and nanoparticles have become more and more widely used in cement-based materials. Nano-materials can significantly improve the mechanical properties, microstructure and durability of cement-based materials. This subject will study the effect of a new nanoparticle admixture nanoparticle C-S-H (n-C-S-H) on the performance of cement-based composite cementitious materials. The effect of adding nano-CSH on the hydration process of the composite cementitous matericals was investigated by isothermal calorimetry. The hydration products of different components of the composite cementitous matericals at different ages were measured by XRD method to study the effect of n-C-S-H on component of cementitous matericals. The mechanical properties of the cement-based composite cementitious material system with n-CSH particles are evaluated by the cement mortar strength test and the concrete strength test. The results shows that the n-C-S-H does not change the composition of hydration products, but significantly promotes cement hydration process. It also improves the early mechanical properties of cement mortar and concrete.

Key Words: nanomaterials; Nano C-S-H particles; Hydration; Compressive strength

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 纳米材料种类及研究现状 1

1.2.1 纳米SiO₂对胶凝材料性能的影响 2

1.2.2 纳米TiO₂对胶凝材料性能的影响 3

1.2.3 纳米C-S-H粒子对胶凝材料性能的影响 3

1.3纳米材料在水泥基材料中的作用机制 4

1.3.1 硅酸盐水泥的水化 5

1.3.2 纳米材料作用机理 6

1.3.3 纳米材料对水泥基胶凝材料性能的影响 7

1.4 本论文研究内容 9

第二章 实验设备和方法 11

2.1实验原料及设备 11

2.1.1 实验原料 11

2.1.2 实验设备 13

2.2 实验方法 14

2.2.1 水化热 14

2.2.2 XRD 14

2.2.3 砂浆强度 16

2.2.4 混凝土配合比设计 17

2.2.5 成型及养护 18

第三章 结果和讨论 19

3.1 CSH纳米粒子对于复合胶凝材料水化进程的影响 19

3.1.1 CSH纳米粒子对水泥水化放热速率的影响 19

3.1.2 CSH纳米粒子对水泥水化放热量的影响 21

3.2 CSH纳米粒子对于复合胶凝材料水化产物的影响 24

3.3 CSH纳米粒子对于复合胶凝材料力学性能的影响 27

3.3.1 CSH纳米粒子对于胶砂抗压强度的影响 27

3.3.2 CSH纳米粒子对于混凝土抗压强度的影响 28

第四章 结论和展望 31

4.1 结论 31

4.2 展望 31

参考文献 33

致谢 37

第一章 绪论

1.1 引言

许多混凝土工程多年来不断追求将水泥混凝土早期强度提高，如低温施工、维修抢险、混凝土制品生产等。因水泥生产成本低、产量大、易于施工、强度高、能快速满足基础设施建设更新等优势，目前国内外尚且没有其它材料能够完全替代它的地位。自1824年当代水泥诞生以来，水泥的生产在工艺、设备、规模等方面优化和调整，水泥的品种和质量得到了很大的发展^[10]。目前常用的混凝土早强剂有无机盐类和有机醇胺类，他们的早强机理不同。近年来的研究发现，通过人为地在水泥混凝土中加入具有促进水泥水化成核作用的纳米粒子，如纳米碳酸钙、纳米SiO₂等，可以显著加速水泥水化进程，其中作用最显著的是以纳米水化硅酸钙（n-C-S-H）^[1]。Thomas^[9]等人将人工合成的纳米尺度C-S-H晶核加入水泥浆体中，发现其能够显著加速水泥的早期水化。由于对纳米水化硅酸钙的报道不常见，其对水泥及水泥基复合胶凝材料体系的影响也知之甚少。本课题以水泥-粉煤灰-矿粉三元复合体系为研究对象，通过调节复合体系各组分的含量，分析纳米粒子对于复合体系水化动力学的影响，并且通过收缩，强度，快速氯离子渗透试验研究外加剂对于复合体系长期耐久性的影响。

1.2 纳米材料种类及研究现状

纳米技术是一种新兴的技术手段，在每一种科学技术领域都有潜在而又深远的影响。关于纳米技术，Drexler^[3]最早给出了纳米技术的定义——以分子与分子控制产物和副产物为基础实现对物质结构的控制。最近几年纳米技术在建筑领域的应用已经以指数程度增加，纳米技术的演变提供了具有新型功能和性能更加优越的材料——纳米材料。纳米材料具有许多与传统材料不同的物理、化学性质，这取决于它具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、体积效应等四大特性。

纳米材料和纳米技术的出现，为传统水泥基材料的改造提供了前所未有的广阔前景。研究表明^[7]，纳米材料应用于水泥基材料中可以显著地提高水泥基材料的水化性能、力学性能、耐久性等一系列性能。纳米技术已经被引入水泥和混凝土的研究中，因为它可以获得更坚固和更耐用的混凝土^[12-15]。

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