Nano-SiO2对水泥基饰面砂浆性能的影响
朱绘美, 王培铭, 张国防
（同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海200092）
摘要：本文主要研究了nano-SiO2对水泥基饰面砂浆力学性能、毛细孔吸水率、耐泛碱和耐沾污性能的影响。研究表明：nano-SiO2能显著改善水泥基饰面砂浆的性能；nano-SiO2掺量为0.5～1.5%时，砂浆毛细孔吸水率降幅超过40%；nano-SiO2掺量大于1%时，砂浆粘结强度明显提高；nano-SiO2掺量为2.0%时，砂浆抗压、抗折强度，耐泛碱性和耐沾污性均有显著提高。从饰面砂浆的总体性能考虑，nano-SiO2的最佳掺量为胶凝材料总量的1.0～2.0%。
关键词：水泥基饰面砂浆；nano-SiO2；强度；毛细孔吸水率；耐泛碱；耐沾污
1 前言
饰面砂浆是由胶凝材料、骨料、填料和添加剂所组成的用于建筑墙体表面及顶棚装饰的材料，它也是一种与外墙外保温系统具有良好的匹配性的新型饰面材料，正得到广泛的推广和应用，但泛碱、易出现色差和自清洁能力差是其在推广中遇到的主要问题。为了解决砂浆的泛碱问题，国内研究者在改变饰面砂浆胶凝材料系统方面进行了很多工作，有文献[1]提出利用以铝酸盐水泥为主、硅酸盐水泥和石膏为辅的三元胶凝材料系统可以很好的解决泛碱问题；也有文献[2]利用聚合物乳液和硅树脂乳液来代替水泥做为装饰砂浆的胶凝材料；同时人们也在不断地探索新的方法比如在水泥基材料中添加功能材料来改善饰面砂浆的某些性能。
Nano-SiO2由于具有填充效应和火山灰效应，已被引入水泥基材料的研究及应用中[3-5]。本文欲将其添加到水泥基饰面砂浆中进行改性，探讨nano-SiO2对饰面砂浆力学性能、毛细孔吸水率、耐泛碱和耐沾污性能的影响。
2 试验
2.1 原材料
2.1.1 胶凝材料
（1）白色硅酸盐水泥（简称WC）：强度等级为32.5，技术指标见表1。
表1 白色硅酸盐水泥技术指标
白度细度凝结时间抗压强度/MPa 抗折强度/MPa
初凝终凝
<10% ≥45/min ≤12/h 18 26.5 42.5 3.5 4.5 6.5
（2）铝酸盐水泥（简称TC）：化学组分见表2。
（3）消石灰粉（简称CH）：325目。
表2 铝酸盐水泥化学组分
成分SiO
Al2O3Fe2O3MgO CaO Na2O K2O SO3烧失量2
含量/% 0.65 68.76 0.18 0.00 29.44 0.15 0.09 0.083 0.48
2.1.2 集料与填料
（1）砂：30～60目的石英砂。
（2）双飞粉：325目，白色粉末。
2.1.3 可再分散乳胶粉（简称V）：醋酸乙烯－乙烯可再分散乳胶粉。
2.1.4 纤维素醚（简称M）：甲基羟乙基纤维素醚，粘度为30000 mP·s。
2.1.5 憎水剂：Elotex seal 80。
2.1.6 颜料：拜尔乐氧化铁红。
2.1.7 nano-SiO2（简称NS）：舟山明日纳米材料有限公司生产，技术指标见表3。图1显示了nano-SiO2的微观形貌，从图中可以观察到大量近似于球状的微细颗粒聚集在一起。
技术指标
表3 nano-SiO
2
平均粒径比表面积松装密度纯度羟基含量紫外反射率20-50 nm 640±30 m2/g <0.12 g/cm3≥99.5％>45％>85％
图1 nano-SiO2的SEM图
2.1.8 拌合水：自来水。
2.2 试验方案
砂浆的具体配合比见表4，拌合水的用量根据新拌砂浆流动度确定，所有砂浆流动度均控制在170±5mm。
表4 砂浆配合比
试验编号WC TC CH砂双飞粉V M Seal 80 颜料NS(%) C0 175 15 10 700 100 18 0.8 2 4 0 C1 175 15 10 700 100 18 0.8 2 4 0.5 C2 175 15 10 700 100 18 0.8 2 4 1.0 C3 175 15 10 700 100 18 0.8 2 4 1.5
C4 175 15 10 700 100 18 0.8 2 4 2.0 C5 175 15 10 700 100 18 0.8 2 4 2.5 C6 175 15 10 700 100 18 0.8 2 4 3.0 C7 175 15 10 700 100 18 0.8 2 4 4.0 C8 175 15 10 700 100 18 0.8 2 3 5.0 注：NS掺量是指相对于水泥质量。
2.3 试验方法
2.3.1 新拌砂浆流动度试验
按GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》中规定的方法测定。
2.3.2 毛细孔吸水率试验
按照JC/T1024－2007《墙体饰面砂浆》进行试验。为了讨论方便，将基准砂浆C0的毛细孔吸水率设定为1，试验测试结果根据下面的计算公式进行处理，并将δi称为相对吸水率，即添加nano-SiO2后砂浆的毛细孔吸水率与基准砂浆吸水率的比值。
δi＝W i / W0
W i——掺NS后砂浆的毛细孔吸水率（g）；
W0——基准砂浆的毛细孔吸水率。
2.3.3 抗压、抗折强度
按GB/T17671—99《水泥胶砂强度检验方法》中规定的方法测定。
2.3.4 粘结强度
按JC/T1024－2007《墙体饰面砂浆》中规定的方法测定。
2.3.4耐泛碱性试验
（1）淋水方式
试块制作是在150mm×70mm×5mm的石棉水泥板上刮涂4～5mm的砂浆，刮涂前用苯丙乳液给石棉水泥板先做封底。试块在室内标准条件（(23±2)℃，(50±5)％RH）下养护24h后，放置在试架上。放置的倾斜度为60度。试块上方安置了供淋水用的开孔PVC水管，开孔方向与试件表面基本垂直，水管与试件的垂直距离为15cm。每个工作日对试块淋水3次，每次30分钟。淋水21次后观察砂浆的表面是否有泛碱现象。砂浆泛碱等级根据表5进行判定。
表5 泛碱程度
（2）浸水方式
试块制作与养护方法同淋水方式。试块养护至1d和7d龄期时，将其浸在水中8h，取出晾干后观察试块的泛碱情况。砂浆泛碱等级根据表5进行判定。
2.3.5 耐沾污性试验
将饰面砂浆涂布于150mm×70mm×5mm的石棉水泥平板表面，厚度4～5mm，在标准试验条件（(23±2)℃，(50±5)％RH）下养护28d后，按照GB/T9780－2005中规定的浸渍法进行测试。根据表6判定饰面砂浆的耐沾污等级。
表6 耐沾污性评定等级
耐沾污性等级
污染程度 观感色差 0 无污染 无可觉察的色差 1 很轻微 有刚可觉察的色差 2 轻微 有较明显的色差 3 中等 有很明显的色差 4
严重
有严重的色差
3 试验结果
3.1 水灰比
图2为固定流动度时新拌砂浆水灰比与nano-SiO 2掺量的关系。从图中可以看出：砂浆的水灰比随nano-SiO 2掺量的增加而逐渐增大。在砂浆体系中，需水量来源于两方面：一方面是填充水，另一方面是表层吸附水。nano-SiO 2超细颗粒的掺加，减小了混合体系的空隙率，也减少了填充水的数量；但却大大增加了表层吸附水，两种作用加总起来就引起砂浆需水量的增加。
0.7
0.720.740.760.78
0.80
0.5
1
1.52
2.5
3
4
5
NS 掺量/%
水灰比
图2 新拌砂浆水灰比与NS 掺量的关系
3.2 毛细孔吸水量
图3为饰面砂浆表面吸水30min 时的相对吸水率与nano-SiO 2掺量的关系。从图中可以看出：nano-SiO 2对砂浆吸水30min 时的毛细孔吸水率影响较大。与基准砂浆相比， nano-SiO 2掺量小于1.5％时，砂浆的毛细孔吸水率明显降低。当nano-SiO 2掺量为1.5%时，砂浆吸水率最低，降幅为46%。之后随着nano-SiO 2掺量的增加，砂浆毛细孔吸水率逐渐增加并趋于稳定，但仍然低于基准砂浆的吸水率。
图4为饰面砂浆表面吸水240min 时的相对吸水率与nano-SiO 2掺量的关系。从图中可以看出：nano-SiO 2对砂浆吸水240min 的毛细孔吸水率的影响类似于对砂浆吸水30min 的毛细孔吸水率。不同的是与基准砂浆相比，当nano-SiO 2掺量为0.5%时，砂浆吸水率最低，仅为基准砂浆的57%。
40
50607080901000
0.5
1
1.52
2.53
4
5
NS 掺量/%
30m i n 相对吸水率/
%
4050607080901000
0.5
1
1.52
2.53
4
5
NS 掺量/%
240m i n 相对吸水率/%
图3 砂浆30min 相对吸水率与NS 掺量的关系 图4 砂浆240min 相对吸水率与NS 掺量的关系
3.3 抗压、抗折强度
图5为饰面砂浆抗压强度与nano-SiO 2掺量的关系。从图中可以看出：nano-SiO 2的掺入使得砂浆的抗压强度明显增大。nano-SiO 2掺量小于2.0％时，砂浆抗压强度随其掺量的增加而增大，之后随着nano-SiO 2掺量的增加，砂浆的抗压强度减小并趋于稳定，但仍高于基准砂浆。基准砂浆的抗压强度为8.9MPa ，nano-SiO 2掺量为2.0％时，为15.1MPa ，增幅约为70％。
图6为饰面砂浆抗折强度与nano-SiO 2掺量的关系。从图中可以看出：nano-SiO 2使得砂浆的抗折强度明显增大，当其掺量为2.0％时，砂浆抗折强度最大，为4.8MPa ，与基准砂浆的3MPa 相比，增幅达60％。之后随着nano-SiO 2掺量的增加，砂浆的抗折强度减小并趋于稳定，但仍高于基准砂浆。
5
8111417
0.5
1
1.52
2.53
4
5
NS 掺量/%
抗压强度/M P
a
123456
0.5
1
1.52
2.53
4
5
NS 掺量/%
抗折强度/M P a
图5 砂浆抗压强度与NS 掺量的关系 图6 砂浆抗折强度与NS 掺量的关系
3.4 粘结强度
图7为饰面砂浆粘结强度与nano-SiO 2掺量的关系。从图中可以看出：nano-SiO 2对砂浆的粘结强度影响较大。当nano-SiO 2掺量小于1.0%时，砂浆粘结强度随其掺量的增加而增大，之后nano-SiO 2掺量的增加对粘结强度的影响不大。基准砂浆的粘结强度为0.6MPa ，nano-SiO 2掺量为1.0%时，砂浆粘结强度为0.9MPa ，与基准砂浆相比，增幅达50%。
0.4
0.50.60.70.80.91
0.5
1
1.52
2.53
4
5
NS 掺量/%
粘结强度/M P a
图7 砂浆粘结强度与NS 掺量的关系
3.5 耐泛碱性
表7显示了饰面砂浆耐泛碱性与nano-SiO 2掺量的关系。从表中可以看出：nano-SiO 2掺量为1.0～2.0%时，nano-SiO 2可以提高砂浆的耐泛碱性，砂浆1d 和7d 的浸水泛碱测试均比基准砂浆提高了一个等级。nano-SiO 2掺量为2.0％时，砂浆的耐泛碱性最好，1d 和7d 浸水泛碱测试比基准砂浆分别提高了二个等级和一个等级。nano-SiO 2掺量小于1.0%或大于2.0%时，nano-SiO 2对砂浆耐泛碱性的影响不大，砂浆泛碱等级与基准砂浆相比没什么变化。
表7砂浆耐泛碱性与NS 掺量的关系
NS 掺量/% 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 5.0 1d 淋水 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1d 浸水 3 3 2 2 1 2 2 3 3 7d 浸水
1
1
2
1
1
2
3.6 耐沾污性
表8显示了饰面砂浆耐沾污性与nano-SiO 2掺量的关系。从表中可以看出：nano-SiO 2可以改善砂浆的耐沾污性。当nano-SiO 2掺量为2.0～3.0％时，砂浆耐沾污性最好，均比基准砂浆提高了2个等级；当nano-SiO 2掺量小于2.0％或大于3.0%时，nano-SiO 2对砂浆耐沾污性的影响较小，最好的配比也只比基准砂浆提高了1个耐沾污等级。
表8 砂浆耐沾污性与NS 掺量的关系
NS 掺量/% 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 5.0 耐沾污等级 3
2
3
2
1
1
1
3
3
4 分析
由上述试验结果可知，掺入适量的nano-SiO 2可以提高水泥基饰面砂浆的力学性能、毛细孔吸水率、耐泛碱和耐沾污性能，
nano-SiO 2对砂浆性能的改善，一方面是由于nano-SiO 2在水泥基材料中具有填充效应。nano-SiO 2微细颗粒可以填充到水泥颗粒之间的空隙中，有效地减少水泥硬化浆体中纳米尺度的微孔，使得浆体密实度提高。另一方面，nano-SiO 2还具有火山灰效应，且火山灰活性远大于硅粉的火山灰活性[3]
，能比硅粉更快更有效地吸收掉水泥水化早期生成的Ca(OH)2、改善水泥硬化浆体和骨料之间的界面、
细化Ca(OH)2晶粒。nano-SiO2填充效应和火山灰效应的共同作用，使砂浆的力学性能、毛细孔吸水率、耐泛碱和耐沾污性能都得到明显提高。
此外，nano-SiO2掺量超过一定值后，砂浆的某些性能反而降低。其原因是由于nano-SiO2的比表面积极高，过细的颗粒会由于相互吸附、分散不好而影响砂浆性能。
5 结论
本文通过研究nano-SiO2对水泥基饰面砂浆力学性能、毛细孔吸水率、耐泛碱和耐沾污性能的影响，得到以下结论：
（1）nano-SiO2掺量为0.5～1.5%时，可以显著降低砂浆的毛细孔吸水率，降幅约为40%。
（2）nano-SiO2有利于砂浆抗压、抗折强度的提高，当其掺量为2.0%时，抗压强度增幅约为70%，抗折强度增幅约60%。
（3）nano-SiO2掺量大于1%时可以显著改善砂浆的粘结强度，但其后掺量的变化对粘结强度的影响不大。
（4）当nano-SiO2掺量为1.0～2.0％时，可以显著提高砂浆的耐泛碱性。
（5）当nano-SiO2掺量在2.0～3.0％时，砂浆耐沾污性较好，比基准砂浆可提高2个等级。
（6）结合nano-SiO2对砂浆以上性能的影响，得出nano-SiO2的最佳掺量为胶凝材料总量的1.0%～2.0%。
参考文献
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