聚合物修饰的纳米二氧化硅粒子改性混凝土的效应与机理

Nano materials are the best materials for the optimization and tailoring of concrete performance, since they could tune the composition, structure of concrete and interaction between concrete particles from nano scale. However, the high surface energy of single-component nano materials results in the agglomeration of nanoparticles in concrete, which greatly limited their effect in concrete modification. Additionally, the workability of modified concrete is difficult to control. Therefore, we proposed the modification of concrete with organic-inorganic hybrid nano materials. Nano silica could be surface-functionalized with polymer molecules, while the surface property could be finely tuned through the variation of polymer chain structure and surface coverage. Thus, the hydration process of cementitious materials could be regulated with fully dispersed nano silica. The revealing of relation between the performance of concrete and surface properties of modified-nano silica, and the mechanism of concrete modification should provide new strategy and theoretical basis for the application of nano materials in concrete modification, and finally advance the optimization and tailoring of concrete performance.

纳米材料可以从微观尺度对混凝土组分结构和相互作用进行改性，是优化调节混凝土性能的最优选择。然而，单组分无机纳米材料由于高表面活性容易在混凝土中团聚，严重限制其有效作用，同时其改性混凝土工作性难以调节。申请人提出以有机无机杂化纳米材料改性混凝土的新构想，利用聚合物对纳米二氧化硅表面进行共价修饰，通过调节聚合物链结构和修饰密度来调节纳米粒子表面官能团性质，使其能够在充分分散的条件下调控水泥基材料的水化过程，并研究纳米粒子表面官能团性质与混凝土性能的表观构效关系和内在作用机理，为纳米材料应用于混凝土提供新的思路与理论基础，推进对混凝土性能的优化调节。

纳米材料可以从微观尺度对混凝土组分结构和相互作用进行改性，是优化调节混凝土性能的最优选择。然而，单组分无机纳米材料由于高表面活性容易在混凝土中团聚，严重限制其有效作用。项目提出聚合物表面修饰纳米粒子的思路，采用负电性聚合物聚电解质与有机聚合物通过表面吸附、共价修饰与核壳包覆的方式对纳米二氧化硅粒子进行了杂化修饰，建立了纳米粒子表面性质调控方法，可以调节纳米粒子在水泥基材料强碱高盐溶液环境中的分散稳定性，有效解决了团聚问题，同时，聚合物表面覆盖率的不同可以实现纳米粒子表面反应活性的调控。.项目考察了改性纳米粒子对于水泥基材料水化历程与力学性能发展的宏观构效关系，改性纳米粒子可以提高全龄期力学性能，明确了改性方式、聚合物表面覆盖率的影响规律，揭示了纳米粒子诱导水化产物成核结晶加速水化的作用机制，阐明聚合物修饰改善稳定性增加纳米粒子有效表面积、同时络合Ca2+延缓水化的复合效应；考察了聚合物改性纳米二氧化硅粒子对水泥基材料渗透性能的影响规律，明确了纳米粒子改善微观结构提高抗渗性能的作用机制，制备了减缩型聚合物吸附修饰的纳米二氧化硅粒子，发现了基于聚合物“吸附分散-脱落减缩”的协同作用机制，同时提升力学性能并降低了收缩。.研究结果展示了发展有机聚合物杂化无机纳米材料作为化学外加剂调节水泥基材料宏观性能的巨大潜力，为通过纳米材料调控水泥基材料微结构从而改善其宏观性能提供了一个全新的思路。