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Cement Concrete Res.：阴离子和非离子表面活性剂对纳米SiO2在水和水泥孔隙溶液中的分散和稳定性的影响
题目
题目：Effects of anionic and nonionic surfactants on the dispersion and stability of nanoSiO2 in aqueous and cement pore solutions
阴离子和非离子表面活性剂对纳米SiO2在水和水泥孔隙溶液中的分散和稳定性的影响
关键词
关键词：纳米SiO2、水泥浆体、表面活性剂、分散、稳定性
来源
出版年份：2021
来源：Cement and Concrete Research
课题组：美国爱荷华州立大学Kejin Wang课题组与Shan Jiang课题组
研究背景
近几十年来，纳米材料在水泥基材料中的应用被广泛关注。纳米材料可以通过改变水泥基材料的微观结构，从而改善水泥基材料的力学性能和耐久性。然而，纳米材料在水泥基材料中容易发生团聚，造成薄弱部位应力集中，降低混凝土的力学性能，从而削弱了纳米材料的优势。
研究出发点
研究人员已提出多种分散方法来解决纳米材料易团聚问题。如物理方法（高剪切混合，超声处理，研磨等）和化学方法（使用分散剂，纳米颗粒表面的化学修饰等）。其中，高维纳米材料的分散已被广泛研究，而对使用各种表面活性剂分散零维纳米材料的研究却仍有局限。然而，一些被发现可有效分散纳米颗粒在水溶液中的表面活性剂（如：SDS和Tween™）尚未在水泥基材料中得到广泛研究，且现有技术不足以量化纳米颗粒在实际水泥基体中的分散。
研究内容
本文研究了在水泥和混凝土行业中不常使用的表面活性剂对纳米SiO2（NS）在水泥基材料中分散性的影响。所用的表面活性剂包括两种阴离子：SDS和基于PCE的高效减水剂，以及五种非离子：两类Tween™（T20和T40）和三类Triton™（TX-14、TX-110和TX405）表面活性剂。通过使用动态光散射（DLS）和沉降测试，通过测量流体动力学粒度和ζ电位（ZP）来评估含有这些表面活性剂的NS悬浮液（分散在水溶液中的NS）和水泥悬浮液（分散在水泥孔隙溶液中的NS）的分散性和稳定性。根据它们的功效，选择了最佳表面活性剂（TX405），并进一步研究了其对水泥-NS浆体的流动性和早期抗压强度的影响。使用透射电子显微镜（TEM）和能量色散光谱（EDS）分析检查了其与NS和波特兰水泥的相互作用。最后，讨论了不同类型表面活性剂的可能分散机理。
图1 使用表面活性剂稳定NS的示意图
图2 分析TEM图像以获得NS尺寸分布
图3 对照NS、水泥和水泥-NS悬浮液（不含任何表面活性剂）的PSD图
图4 分散有不同表面活性剂的NS在（a）水溶液和（b）水泥孔隙溶液中的PSD
图5 含各种表面活性剂的悬浮液的沉降深度（a）NS悬浮液和（b）水泥-NS悬浮液
图6 对照组和TX405水泥-NS悬浮液（3 h）的TEM图像（顶部）和EDS光谱（底部）
图7 DLS和水泥-NS浆体参数与非离子表面活性剂CMC的相关性
主要结论
1、DLS测试结果表明，在没有表面活性剂的情况下，在超声处理30 min后，NS悬浮液的粒径范围约为200-8000 nm，Z-avg值约为900 nm，表明严重的团聚。尽管显示出不同的有效性，但所有表面活性剂在水泥-NS悬浮液中使颗粒脱聚；然而，并非所有表面活性剂在NS悬浮液中使颗粒脱聚。表面活性剂T20，T40和TX114加剧了NS在水溶液中的团聚。
2、DLS和沉降测试结果表明，在所研究的所有表面活性剂中，TX405是对水溶液中NS的解团聚和稳定最有效的表面活性剂，其次是 SDS。TX405也是最有效的表面活性剂，用于去除水泥-NS悬浮液中颗粒的团聚和稳定，其次是PCE。
3、观察到ζ电位（ZP）与NS悬浮液的96 h沉降深度之间具有良好的相关性。通常，ZP的大小越高，NS悬浮液的沉积深度就越小。但是，在水泥-NS悬浮液中未观察到这种趋势，这可能是由于水泥水化对沉降深度测量的影响。
4、添加1% NS和0.01% TX405降低了水泥浆的流动性，而添加0.8% PCE表面活性剂显著提高了水泥浆的流动性。当0.01% TX405和0.8% PCE一起使用时，实现了水泥-NS浆体的足够流动性。
5、与水泥-NS浆体（不含表面活性剂）相比，含有0.01% TX405和0.08% PCE的水泥-NS浆体在1 d和3 d时的抗压强度分别提高了33%和41%。TEM和EDS分析表明，由于方解石纳米晶体的形成，增强了外产物CSH凝胶的成核和其区域的致密化可能是强度提高的原因。
6、Z-avg和水泥-NS悬浮液的PDI值和水泥-NS浆体的抗压强度与非离子表面活性剂的CMC有高度相关关系，表明颗粒分散的改善是浆体强度提高的另一个原因。
本期编者简介
翻译：
刘建伟 硕士生 深圳大学
审核：
李雪琪 硕士生 深圳大学
排版：
赵泰淇 硕士生 深圳大学
本期学术指导
何嘻闯 博士后 深圳大学
龙武剑 教嘻授 深圳大学
文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106417
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