纳米硅水泥土固化机理研究

实验证实，纳米硅掺入到水泥土中会大幅度提高水泥土的抗压强度并改善其力学性能。本课题拟运用XRD物相分析、SEM扫描、CT技术图像学和压汞孔结构分析等微观手段，结合纳米硅水泥土宏观力学性能的研究成果，探索纳米硅水泥土生成物、孔隙的演化规律；研究水泥土团粒结构的界面特点、晶体取向等显微特征，明确纳米硅水泥土生成物和微观结构的形成过程及演变规律；阐明纳米硅水泥土的水化过程、相互作用规律；探索纳米硅水泥土的失效机制和耐久性，解决纳米硅水泥土在实践应用中的适应性问题；在此基础上，提出纳米硅改进和增强水泥土微观和细观结构的固化作用机理，揭示宏观力学性能的提高随显微结构、形貌等的变化和作用规律；指导不同用途纳米硅水泥土制备和控制方法，为纳米硅在水泥土中的应用提供理论支持。水泥土被广泛应用于土木、交通和水利等领域中，将纳米硅应用于水泥土改善其工程特性具有重要理论意义和工程实用价值。

在大量试验基础上，本文首先分析了影响纳米硅水泥土抗压强度的因素和变化规律。试验表明，纳米硅对改善水泥土的工程特性，特别是增强水泥土抗压强度，效果明显。纳米硅增强水泥土存在一最佳掺量aop，超过或低于这一掺量都不能充分发挥纳米硅增强水泥土的作用。其次应用正交试验，定量分析了纳米硅掺量、水泥掺量、水灰比和龄期等因素对抗压强度影响的大小。在对纳米硅水泥土强度特性及大量试验数据整理和分析的基础上，建立了纳米硅水泥土抗压强度与水泥掺量、纳米硅掺量、围压和龄期间的强度关系模型，用此模型可以粗略地估算相同的试验材料在试验条件相同的情况下纳米硅水泥土的抗压强度。. 然后，运用XRD物相分析、SEM扫描电镜、基于CT技术的图像学、压汞试验和显微结构磨片技术等手段探索了纳米硅水泥土生成物、孔隙的演化、微观形貌和微结构分形分维特征。纳米硅粉参与了水泥土的二次水化反应，它能与Ca(OH)2生成种类不同（C-S-H(1)、C-S-H(2)、C-S-H(3)、C-A-H(1)、C-A-H(2)）、形貌各异（针状、网络状）的水化硅酸钙和水化铝酸钙，不同掺量的纳米硅水泥土在水化产物数量和种类上不同；随着纳米硅掺量的增加，水化物的种类和数量增加，水化程度加深；而纳米硅水泥土显微结构是由粘土矿物颗粒、水化产物和原生矿物等相体交织而成的多相体系，它较普通水泥土颗粒胶结致密，趋向于块状，有助于水泥土强度的提高。. 随着纳米硅掺量的增加，水泥土颗粒单元体由边-边、边-面连接转为水化产物的胶结连接，颗粒间的连接更加紧密；大孔隙被水化产物占据，材料变得更加密实，增加了水泥土的强度，为纳米硅在水泥土中的应用提供理论支持。. 粒度分维数D随着纳米硅掺量的增加，先减小后增加，在20-30‰间D值最小；与纳米硅掺量在20‰-30‰时，纳米硅水泥土强度最高相吻合；纳米硅水泥土颗粒的方向大都集中在（-18°-18°）之间，其它区间分布较少；颗粒形态分维数在0.554-0.5945之间，颗粒面积与颗粒周长间的双对数关系可以拟合成一条直线，其间的吻合度非常高，颗粒间的周长和面积具有非常好的分形分维性质。. 纳米硅增强水泥土作用机理可以归纳为水泥的凝结硬化作用、微结构细化作用和孔结构重分布和填充作用等三个方面，其中纳米硅参与了水泥土的二次反应生成了新的水化产物，并有部分纳米硅颗粒填充水泥土孔隙，使水泥土强度增加。