纳米二氧化硅对浮石复合水泥浆体耐热性与力学性能的影响

普通硅酸盐水泥（OPC）在现代建筑中至关重要，而辅助胶凝材料（SCM）的掺入已成为全球范围内减少水泥生产过程中二氧化碳（CO₂）排放、降低有害环境影响、节约能源和减少资源消耗的迫切需求。因此，本研究旨在评估浮石作为水泥替代品的可行性及其对耐热性的影响。研究人员制备了浮石替代率为0、15和20 wt%的OPC–浮石复合材料，并用纳米二氧化硅（NS）（0.5、1和2 wt%）进行改性，以增强其力学性能和热稳定性，浇筑成25毫米立方体（每个条件n=4）。硬化浆体（水胶比w/b=0.26）在水化早期和后期以及在不同冷却制度下暴露于高温（250、500和850 °C）后进行评估，性能主要通过抗压强度进行评价。研究结果表明，NS的掺入增强了水化性能，降低了游离石灰含量，并增加了化学结合水量。在500 °C时，热稳定性得到显著提升，抗压强度几乎没有损失。对于OPC + 15%浮石体系，NS的最佳掺量为质量百分比1%。对各种浆体在500 °C加热并经缓慢冷却后测得的强度值表明，与28天强度相比，CP1、CP1NS1、CP1NS2和CP1NS3浆体的残余抗压强度（RCS）分别提高了2%、7%、10%和9.60%。X射线衍射（XRD）、热重/差热分析（TG/DTG）和扫描电子显微镜（SEM）分析显示，体系中存在低结晶度和近无定形的水化硅酸钙（C-S-H）、水化硅铝酸钙（C-A-S-H）和水化铝酸钙（C-A-H）。结论是，纳米二氧化硅极大地改善了浮石复合水泥浆体的力学和热学性能。对于OPC + 15%浮石体系，NS的最佳掺量为质量百分比1%，以提高耐火性和促进强度发展。

本研究针对普通硅酸盐水泥（OPC）生产带来的高能耗、资源消耗和二氧化碳（CO₂）排放问题，探讨了使用浮石粉（PP）作为部分替代胶凝材料，并结合纳米二氧化硅（NS）进行复合改性的策略。研究目的是评估这种复合体系在提升水泥基材料耐火性能和力学强度方面的潜力，为开发可持续、耐高温的建筑胶凝材料提供依据。研究人员首先通过溶胶-凝胶法合成了NS纳米颗粒，并进行了表征。随后，设计了浮石替代率为15%和20%的OPC-浮石复合体系，并分别掺入0.5%、1%和2%的NS进行改性。通过抗压强度测试、水化特性分析（化学结合水、游离石灰含量）、高温热处理（250 °C, 500 °C, 850 °C）后的性能评估以及微观结构分析（XRD， TG/DTG， SEM）等手段，系统研究了复合浆体的性能演变规律。研究得出结论，NS通过填充效应、成核作用以及火山灰反应，有效促进了水化产物的生成与微观结构的致密化，显著提升了复合浆体的力学强度和热稳定性。特别是，浮石替代率为15%并掺入1% NS的配方表现出最优的综合性能。该研究成果发表在《Beni-Suef University Journal of Basic and Applied Sciences》期刊上。

为开展此项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，采用溶胶-凝胶法在实验室合成了纳米二氧化硅（NS），并通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和氮气吸附等手段对其进行了全面表征。实验原料为埃及当地产的I型OPC和浮石粉。研究设计了多种复合浆体配合比，通过抗压强度测试评估其力学性能，利用烧失量法测定化学结合水量，采用乙二醇萃取法测定游离石灰含量。为评估热稳定性，试件在不同温度（250 °C, 500 °C, 850 °C）下加热后，分别采用炉内缓慢冷却和水淬急冷两种制度进行冷却处理，并测试其残余抗压强度。此外，研究人员运用XRD、热重/差热分析（TG/DTG）和SEM对水化产物相组成及微观形貌进行了深入分析。

研究结果部分：

1. **抗压强度**：抗压强度测试结果表明，所有复合浆体的强度均随水化龄期增长而提升。单独掺入浮石会降低浆体强度，但复合掺入NS能显著提升OPC-浮石复合浆体的强度。对于含15%浮石的体系（CP1），掺入1% NS（CP1NS2）在28天龄期时表现出最高的抗压强度。

2. **水化特性**：化学结合水（Wn%）分析显示，其含量随水化龄期增加而升高。复合掺入NS的浆体（如CP1NS2）在所有龄期的Wn%值均高于未掺NS的对应浆体，表明NS促进了水化反应和水化产物的生成。游离石灰（FL%）含量在水化初期（至7天）增加，随后（至28天）降低。掺入NS的浆体其FL%含量始终低于未掺NS的浆体，归因于NS与水化产生的氢氧化钙（CH）发生了火山灰反应。

3. **高温后的性能**：经过250 °C和500 °C加热后，所有浆体的抗压强度相较于其28天强度均有所提升，其中500 °C加热后的强度提升尤为显著。然而，在850 °C加热后，所有浆体的强度均出现大幅下降。研究发现，经缓慢冷却的试件其残余抗压强度（RCS）高于快速冷却（水淬）的试件。掺入NS显著改善了浆体的耐热性，其中CP1NS2（15%浮石+1% NS）配方在500 °C加热后表现出最佳的强度保持率（RCS提升约10%）。

4. **微观结构分析**：SEM图像显示，NS的掺入使浆体微观结构更加致密。在28天龄期，CP1NS2浆体中观察到大量相互交联的水化硅酸钙（C-S-H）凝胶。经高温加热后，微观结构发生了变化。250 °C加热后，结构变得更为致密；850 °C加热后，则出现大量裂缝。XRD和TG/DTG分析证实，NS的掺入减少了氢氧化钙（CH）含量，并促进了更多无定形或低结晶度水化产物（如C-S-H、C-A-S-H）的生成。

讨论部分总结与结论翻译：

研究结果证实，复合浆体的抗压强度随水化龄期延长而持续增长，这主要归因于水化反应的推进以及水化产物（C-S-H、C-A-S-H、C-A-H）的生成。浮石替代OPC导致强度下降，是因为活性较低的浮石替代了高活性的OPC，且浮石具有多孔结构。NS的掺入通过其高比表面积提供的填充效应、成核效应以及火山灰反应，有效提升了复合浆体的强度。然而，过高（2%）的NS掺量会导致颗粒团聚，反而降低强度。水化特性分析进一步证实，NS促进了化学结合水的生成并消耗了游离石灰，这与火山灰反应机制一致。在高温性能方面，250 °C加热后的强度提升主要源于未水化颗粒的进一步水化（内部蒸压效应）以及火山灰反应生成更多水化产物。500 °C加热后的强度保持或提升，则得益于火山灰反应消耗了易在高温下分解的CH，并填充了孔隙。然而，850 °C的高温导致水化产物严重分解和结构开裂，强度大幅损失。快速冷却（水淬）引起的热冲击加剧了结构损伤。综合所有性能，掺有1% NS的15%浮石复合浆体（CP1NS2）表现出最优的力学和耐热性能。微观结构分析从形貌和物相角度支持了上述力学和热学性能的结论。

研究结论部分翻译如下：
基于本研究的结果，可以得出以下结论：
1. 用15%和20%的浮石替代OPC，在所有水化龄期内均导致抗压强度值显著降低。然而，随着水化龄期的增加，这种降低的严重程度会减弱。
2. 几乎在所有水化龄期，掺入NS的OPC-浮石固化浆体的化学结合水含量均高于未掺NS的对应复合浆体。
3. 掺入NS的OPC-浮石复合材料中的游离石灰含量在7天前增加，随后直至28天的最终水化龄期而减少，这归因于浮石的火山灰活性。
4. 在高达250 °C和500 °C的加热温度下，用15%和20%的浮石替代OPC，会导致抗压强度读数显著增加。
5. 在OPC-浮石混合物中加入0.50%、1%和2%的NS，能够增强高温抵抗力和力学性能，特别是在替代15% OPC为浮石的混合物中效果显著。
6. OPC-浮石-NS硬化水泥浆体的压缩值和耐高温测试结果表明，质量百分比1%的NS是CP1NS2混合物的最佳添加量。
7. X射线衍射（XRD）和热重/差热重（TG/DTG）分析表明，主要的水化产物是C-S-H、C-A-S-H和C-A-H，它们改善了热学和力学特性。扫描电子显微镜（SEM）显微照片显示，由于微填充效应和火山灰活性，掺NS的OPC+浮石固化浆体比OPC+浮石固化浆体具有更致密、更紧密的结构。