表层混凝土纳米SiO2改性研究

Surface concrete is the most vulnerable part of concrete structure to environment. By densifying its structure and optimizing the chemical components, the anti-corrosion property of surface concrete can be highly improved. It has been suggested that nanosilica can greatly improve the packing density of hydration products, lower Ca(OH)2 content and Ca/Si ratio of C-S-H gel. In this project, the improvement of surface concrete quality is going to be studied with the modification effect of nanosilica. Optimal Ca/Si ratio, chemical compositions, morphology and porosity of hydration products are determined through investigations of the properties of hydrates of cement and suplimentary cementitious materials and its own pozzolanic reactivity of nanosilica under the hydration temperature,humidity and alkalinity of pore solution of surface concrete. The transport characteristics of nanosilica in concrete is studied through fluorescent tracing technique and measures of improving the hydration degree and hydration rate of nanosilica will be proposed. Based on the study of the anti-corrosion property of surface concrete after modification, the influences of nanosilica on the properties of concrete will be determined.It is expected that these studies may provide new idea for the study of the modification of surface concrete, as well as making fundation for the in-site application of nanosilica.

混凝土表层通常最容易受到环境介质的侵蚀，提高其致密度、优化其中水泥石组成可有效提高混凝土抗侵蚀性。申请项目根据纳米SiO2可显著提高水泥石密实度并降低Ca(OH)2含量和凝胶Ca/Si比的前期研究结果，将纳米SiO2对水泥石改性用于提高混凝土表层的密实性，通过研究表层混凝土所处环境温湿度以及孔溶液碱度作用下的纳米SiO2对水泥和其他辅助胶凝材料水化产物以及自身火山灰反应的影响规律，确定有利于提高混凝土表层密实度的凝胶Ca/Si比、水泥石组成、形貌和孔结构；采用荧光示踪法研究纳米SiO2在混凝土中的渗透性以及影响因素，探索提高纳米SiO2在混凝土表层中的反应程度和速度的措施；通过宏观试验测定纳米SiO2改性后混凝土表层抗侵蚀性能的变化规律，确定纳米SiO2在混凝土表层改性中的作用。项目研究结果将为混凝土表层改性提供新的思路，相关研究结果还将为有关纳米SiO2在水泥混凝土中应用研究提供参考。

混凝土作为最大宗的土木工程材料，其安全长期服役事关结构安全、资源节约利用等重要方面，因此提高水泥基材料耐久性成为人们重点关注的内容。由于混凝土性能劣化通常是由表及里的过程，采用表面防护方式对既有混凝土进行处理是最经济有效地提高混凝土服役性能的手段。基于项目主持人有关利用纳米材料对水泥混凝土进行改性的前期研究基础，本项目创新性的提出利用纳米材料对表层硬化水泥基材料进行表层处理，测定表面处理宏观效果，分析其对硬化水泥基材料组成和微观结构的影响规律，比较了其与现有广泛采用的混凝土表面处理剂的作用差异，探究纳米改性的作用机理。项目重点对纳米二氧化硅(CNS)及其前驱体(TEOS)对硬化水泥混凝土的表面处理效果进行了研究，结果显示CNS和TEOS通过填堵和化学反应作用降低表层结构的孔隙率，从而显著降低其介质传输性，且其抗Ca离子流蚀性、抗硫酸盐侵蚀性、抗冻性均显著提高。TEOS通过在水泥基材料表面发生原位水解获得纳米二氧化硅，后者发生火山灰反应从而提高表层材料的性能。用XRD和TG研究了CNS、TEOS及常用表面处理剂对水泥基材料矿物组成的影响，结果表明CNS和TEOS都具有火山灰活性，并且TEOS的火山灰活性比CNS要高；硅酸钠与硅烷也会消耗水泥基材料的水化产物Ca(OH)2。用IR和XPS验证了CNS、TEOS及常用表面处理剂对水泥基材料凝胶结构的影响，结果表明，CNS与TEOS以及硅酸钠与水泥基材料的水化产物Ca(OH)2的反应产物为C-S-H凝胶；硅烷与Ca(OH)2发生交叉键合，没有凝胶产生。根据上述研究结果，申请人深入探究了纳米技术用于混凝土表层防护的潜在功能，特别涉及利用纳米二氧化硅对表面处理剂的功能桥联作用，创造性的制备了核壳型纳米材料，可同时发挥本项目研究结果之纳米二氧化硅对硬化水泥基材料的改性作用，以及功能纳米材料，如光催化材料、憎水性硅烷等在水泥基材料表面的功能特性，从而实现混凝土的功能化。与传统意义上的功能化相比，该技术将有效解决功能单元与混凝土的有效粘接问题，具有重要的实用价值。