纳米碳酸钙在混凝土中的应用研究进展
纳米技术作为前沿技术在混凝土中的应用正在蓬勃兴起，已成为混凝土技术研究领域的一个热点。以纳米二氧化硅为代表的纳米级活性材料用于水泥混凝土的相关研究已有广泛的报道。相较于纳米二氧化硅，纳米碳酸钙则是一种活性较低、价格低廉的纳米级矿物微粉材料，其价格只有纳米二氧化硅的十分之一。由于纳米碳酸钙具有纳米级的颗粒尺寸，其表面原子数、表面积和表面能等都迅速增加，使其具有不同于普通粒子的特性。目前，国内外对纳米碳酸钙在改性混凝土性能方面的研究越来越多，并引起了广泛的关注。
1、纳米碳酸钙对工作性的影响
由于纳米碳酸钙颗粒细小，掺入水泥浆体后引起浆体比表面积显著增大，从而增大了浆体的需水量。孟涛等研究了纳米碳酸钙对水泥净浆需水量的影响，结果表明：需水量随纳米碳酸钙掺量增加而提高；掺量为2%、5%、8%时，其需水量相应增加0.4%、1.8%和3.2%。而当使用纳米碳酸钙中间浆体时，这一效应会有所降低。掺量为2%及5%的时候，需水量仅仅降低了0.3%；掺量达到8%时，需水量基本与基准一致。究其原因，认为是纳米碳酸钙中间浆体更易于均匀分散，可以改善微颗粒级配。
在水泥中掺入纳米碳酸钙可以促进其水化，提高水化速率，从而缩短凝结时间。魏荟荟的研究发现，水泥浆体的初、终凝时间随纳米碳酸钙掺量的增加而减小，当掺量从0.44%增加到4.88%时，初凝时间从200min缩短至154min，终凝时间从247min缩短至199min。这一效应对混凝土同样存在，黄政宇在研究超高性能混凝土（UHPC）时亦具有相似的结果，图1显示，5%掺量的纳米碳酸钙会使UHPC达到最好的工作性。
纳米碳酸钙可以改善微细颗粒级配，减少堆积空隙，强化微骨料效应，在相同水胶比下，有助于提升混凝土的工作性。孟涛等研究了一种纳米碳酸钙改性的复合矿物掺和料（以纳米碳酸钙中间体与矿粉和粉煤灰按一定比例经过干燥混磨工艺制成），发现经过纳米碳酸钙改性后的掺和料，加入到混凝土中可以有效提高其工作性能，在总掺量为15%-30%时获得较好的工作性。相比加入其他加速混凝土水化硬化的加速剂而言，加入纳米碳酸钙使混凝土具有更好的工作性。
2、纳米碳酸钙对水化过程的影响
纳米碳酸钙改性水泥基材料的作用一般有三种，即化学作用、晶核作用、填充作用。其中影响水泥水化过程的作用主要为化学作用和晶核作用。Detwiler和Tennis研究发现，水泥水化的过程中，碳酸钙粉体颗粒将作为成核场所，增加了水化产物C-S-H凝胶在石灰石粉颗粒上沉淀的概率，并加快了C3S的水化速度，在C-S-H和Ca（OH）2等主要产物的表面生长很多水化碳铝酸钙颗粒，这种碳铝酸钙（CaO•3Al2O3•CaCO3•11H2O）是纳米碳酸钙和C3A发生水化反应所产生的，并因此可以改善水泥基材料的早期强度。
肖佳等通过测定水化产物中Ca（OH）2的含量并进行量热实验，发现纳米碳酸钙的加入使得C3S水化的第一放热峰明显变窄、增高和前移，增大了水化放热量，且掺量越高，其早期的水化反应速率越快，如图2所示。
来源：中国粉体技术网
