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文献速读 Cem.Concr.Compos.：纳米SiO2对纳米波特兰水泥早期水化反应的影响  题目 题目: The effects of nano-silica on early-age hydration reactions of nano Portland cement 纳米SiO2对纳米波特兰水泥早期水化反应的影响 关键词 纳米SiO2；液池透射电子显微镜（LC-TEM）；定量X射线衍射（QXRD）；热释放；早期水化反应 来源 出版年份：2022 来源：Cement and Concrete Composites 课题组：加拿大-麦克马斯特大学材料科学与工程系Peng Dong课题组 研究背景 水泥水化反应是一个复杂的过程，因为水泥水化过程中存在着不同的物相，不同的化学反应相互依赖。了解水化机理和动力学将有助于控制水化速率和设计理想的混凝土。近几十年来，纳米材料和纳米技术的概念引起了广泛关注。这些纳米材料有望用于增强混凝土的物理力学性能，从而降低水泥用量。纳米波特兰水泥（NPC）具有较高的比表面积和反应活性，在制备水化硅酸钙（C-S-H）晶种方面具有巨大的潜力。此外，通过将纳米科学工具和尖端表征技术应用于水泥和混凝土研究，NPC的应用促进了对水泥化学基本原理的理解以及对纳米级和微米级微观结构变化的解释。 研究出发点 纳米SiO2（NS）具有较高的比表面积和反应活性在混凝土中应用有助于提高其力学强度和耐久性。然而，因为NS的聚集形式难以实现纳米颗粒的有效分散。为了阐明这些作用，需要进行更多的研究来阐明NS对水化动力学和水化产物的影响。 研究内容 本研究通过利用纳米尺度的实验技术，包括液池透射电镜（LC-TEM）结合等温量热法和定量X射线衍射（QXRD）技术，首次实现并跟踪了纳米波特兰水泥（NPC）在掺NS和不掺NS情况下的水化反应。试图更好地理解早期水化化学、动力学和微观结构演变之间的相关关系，并进一步阐明了NS对NPC体系微观结构、放热及水化产物含量的影响。  图1 NS的微观结构和形态  图2 （a）NPC和NPC+NS的热流；（b）累积热曲线（黄线分别表示诱导期结束和NPC与NS的硅酸盐峰），（c）PC和PC+NS的热流；（d）累积热曲线（蓝色箭头表示PC的铝酸盐峰，黄色箭头表示PC与NS的铝酸盐峰）  图3 LC-TEM图像显示了NPC中不同时间尺度下不同区域的微结构：a）1小时35分钟；b）3小时10分钟；c）4小时52分钟；d）14小时06分钟；e）24小时21分钟  图4 SEM图像显示了含NS的NPC系统中水合产物的微观结构形态：a）在SiN膜的微孔中和Si片上分布更多的片状C-S-H沉淀物；b）在C-S-H基质中嵌入氢氧化钙和钙矾石；c）光谱1的EDS结果显示了C-S-H沉淀物；d）光谱2的EDS结果显示了氢氧化钙的组成  图5 NPC和正常PC与NS的水合反应示意图 主要结论 本工作应用纳米科学和技术揭示了NPC的结构演变和水化动力学。研究结果有助于进一步认识NS在NPC和普通PC系统中的作用。阐明了水泥和混凝土研究中的一个关键问题，以及加入NS后NPC和普通PC系统中的不同水化途径。这为设计合适的纳米水泥添加纳米胶凝材料提供了新的思路，具体结论如下： （1）首先，NS的掺入显著缩短了PC中的溶解和诱导期。加入NS的PC比PC的加速期提前1h，硅酸盐主峰提前2h。此外，第一天后的总热量在含NS的PC中更多。两种纳米系统的起始期和诱导期都很短，难以区分。在加速阶段，含NS的NPC的放热速率略高于NPC系统。NPC加NS组24h内总热量略低于NPC不加NS组。这可以用尺寸效应来解释，即普通细度的PC比表面积较小，NS成核中心对水化度的贡献较大； （2）其次，在NPC和NPC + NS中，在加速阶段开始时的1.5 h至8 h之间观察到强烈的延迟效应，其中水合反应显示出显著较低的热速率和累积热。这可归因于钙矾石转化为单硫酸盐，其覆盖新形成的C-S-H表面，防止进一步沉淀； （3）最后，由于较低的表面能，在有和没有NS的NPC中的主要水合产物C-S-H首先沉淀在SiN膜表面上。与普通NPC相比，NS NPC中的C-S-H析出相具有均匀分布的微观结构。这与NS的种子效应有关。与普通NPC体系相比，含NS的NPC体系中钙矾石晶体的溶解量增加。这可能表明NS加速了钙矾石向单硫酸盐的转化。我们的LC-TEM结果还表明NS倾向于吸附到针状钙矾石上，导致针状C-S-H沉淀。 本期编者简介 翻译： 罗盛禹 硕士生 深圳大学 审核： 耿松源 博士生 深圳大学 排版： 赖慈锋 硕士生 深圳大学 本期学术指导 何 闯 博士后 深圳大学 龙武剑 教 授 深圳大学 文献链接： https:///10.1016/j.cemconcomp.2022.104698 |
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