納米混凝土力學(xué)性能及耐久性能研究綜述

高繼祥　侯強(qiáng)　趙龍飛

【摘 要】納米混凝土作為一種高性能混凝土建筑材料，由于具有良好的力學(xué)性能和耐久性能，在工程領(lǐng)域受到了越來(lái)越多的關(guān)注和使用。為了深入的了解納米混凝土的特性及更好的應(yīng)用于實(shí)際工程，科學(xué)工作者對(duì)納米混凝土的力學(xué)性能和耐久性進(jìn)行了的研究，本文從納米混凝土力學(xué)性能及耐久性兩方面介紹了研究的現(xiàn)狀，并分析了納米混凝土下一步的研究趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】納米SiO2；耐久性；強(qiáng)度

0.引言

混凝土是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的主要材料，它具有承重大，易成型，原材料廣泛、等優(yōu)點(diǎn)。但混凝土的自重大、抗拉強(qiáng)度低、脆性大等缺陷限制了其在一些方面的應(yīng)用。納米材料是指顆粒尺寸在納米量級(jí)（1nm～100nm） 的超細(xì)材料，其尺寸大于原子簇而小于通常材料的微粉， 處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)度區(qū)域。納米材料由于其尺寸小且具有特殊的結(jié)構(gòu)特征，從而具有以下效應(yīng)：尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)。納米礦粉主要包括納米SiO2，納米CaCO3和納米硅粉。普通硅酸鹽水泥顆粒粒徑，水泥內(nèi)分布著10-100nm的凝膠孔，在水泥中摻入納米礦粉可以有效填充這些空隙，對(duì)于提高混凝土的抗?jié)B性和韌性起了很大作用。

1.納米混凝土力學(xué)性能的研究

研究表明SiO2（NS）的火山灰活性遠(yuǎn)高于硅粉的火山灰活性，摻入NS的漿體存在流動(dòng)性變小和凝結(jié)時(shí)間縮短的現(xiàn)象，同時(shí)NS的摻入能顯著提高混凝土的早期強(qiáng)度。NS摻入到硅酸鹽水泥中，其火山灰反應(yīng)吸收了大量的Ca（OH）2進(jìn)而促進(jìn)了水泥水化，提高了水化開始時(shí)的放熱速率，并改善了水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)，使水泥更加均勻密實(shí)[1]。納米CaCO3摻入到水泥材料中后起到了物理填充效應(yīng)、水化效應(yīng)和晶核效應(yīng)，降低了水泥石內(nèi)表面積，加快熟料早期水化速度，增加水泥石密實(shí)度，降低孔隙率，進(jìn)而提高水泥石的抗壓強(qiáng)度。

黃政宇等[2]將未摻納米材料混凝土、摻納米SiO2混凝土和摻納米CaCO3混凝土三組試件做了對(duì)比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明摻入納米SiO2的混凝土的抗壓強(qiáng)度提高4%，摻入納米CaCO3的混凝土養(yǎng)護(hù)28d抗壓強(qiáng)度比未摻假NC的混凝土提高了16.7%。同時(shí)他們得出摻加NS和NC的最佳量分別為0.5%和3%。試驗(yàn)還得出摻入納米材料的混凝土流動(dòng)性會(huì)降低。

郭保林、王寶民[3]對(duì)納米混凝土的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，他們認(rèn)為摻入NS能提高混凝土早期強(qiáng)度，尤以7天時(shí)最顯著，此時(shí)摻入5%的NS比摻入3%的效果明顯，后期的強(qiáng)度也與NS摻入量有關(guān)，摻入5%的NS在60天時(shí)的強(qiáng)度小于基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度，并得到摻加3%的NS對(duì)混凝土后期強(qiáng)度增加明顯。

唐小萍、魏秀瑛等[4]也做了類似的研究，試驗(yàn)所用納米材料是SiO2和Al2O3，以三種不同的納米摻加量作為對(duì)比，結(jié)果表明摻入該納米混合材料后可提高混凝土3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度20%、15%、10%。

2.納米混凝土抗?jié)B性能的研究

納米SiO2可以提高混凝土抗裂、抗?jié)B、抗凍等性能。研究表明： 納米SiO2可以改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和綜合性能，能夠封堵混凝土內(nèi)部孔隙，增強(qiáng)其抗裂性，提高混凝土抗?jié)B、抗凍、抗化學(xué)侵蝕、抗沖磨等性能，從而提高水工混凝土的耐久性。

黃功學(xué)、謝曉鵬[5]將混凝土試件養(yǎng)護(hù)至28d，對(duì)試件一次加壓24h，用壓力機(jī)劈開試件，測(cè)量滲水高度?；炷量?jié)B性能隨著納米SiO2摻量的增加而提高；納米SiO2摻量為1%、3%、5%時(shí)混凝土的滲水高度比普通混凝土分別降低了19%、44%、61%。他們認(rèn)為納米SiO2使混凝土中滲水通道堵塞或減少，混凝土的密實(shí)程度得到提高，降低了溶出性侵蝕的危害。

杜應(yīng)吉等[6]也做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，他們將納米基混凝土改性劑摻入混凝土中，在電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)的大孔和微孔數(shù)量均大幅下降，使混凝土的的密實(shí)度提高，從而提高混凝土（砂漿）的抗?jié)B性。數(shù)據(jù)顯示摻入納米基混凝土改性劑的試件比相同配比的普通混凝土試件的抗?jié)B性提高了30%。

李晗等[7]試驗(yàn)方法是將標(biāo)準(zhǔn)試件放入氯化Nacl中浸泡24h，取出試件烘干，循環(huán)10次。然后鉆取不同深度的混凝土試樣測(cè)定氯離子含量。2.5mm 深度NS 摻量0.5%，1.0%和2.0%氯離子含量分別為不摻NS 時(shí)的92.7%， 92.3%和91.9%，蘭成明等[9]也做了抗氯離子的滲透試驗(yàn)，得到了基本相同的數(shù)據(jù)。

3.納米混凝土抗凍性能的研究

在嚴(yán)寒地區(qū)凍融循環(huán)是影響混凝土耐久性的因素之一，在實(shí)際應(yīng)用中最關(guān)心的是混凝土的力學(xué)性能，因?yàn)閺?qiáng)度損失直接關(guān)系到建筑物的使用性能及安全。因此研究混凝土的抗凍性能有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

杜應(yīng)吉等[8]對(duì)于納米混凝土的抗凍性做了以下實(shí)驗(yàn)：采用M7.5的試件，用慢凍法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，凍融15次后由電子顯微鏡圖片對(duì)比發(fā)現(xiàn)摻入納米材料后極大改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，封堵了孔徑小于150nm的微孔。使得混凝土的密實(shí)度大大增強(qiáng)，從而避免了由于孔隙水結(jié)冰膨脹而產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)破壞。

仲曉琳、李順凱[9]研究納米材料對(duì)混凝土的抗凍性能試驗(yàn)采用空白樣與摻量0.75%納米材料的試樣對(duì)比，在-10℃條件下做25次凍融循環(huán)。測(cè)試結(jié)果顯示摻0.75%納米材料的混凝土，經(jīng)25次凍融循環(huán)后混凝土的強(qiáng)度損失率為3.2%，而空白樣強(qiáng)度損失率為8.6%。可見(jiàn)，摻入0.75%的納米材料可以明顯地改善混凝土的抗凍性能。

黃功學(xué)、謝曉鵬[5]也針對(duì)納米混凝土抗凍性做了實(shí)驗(yàn)研究。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，混凝土動(dòng)彈性模量損失隨著納米SiO2摻量的增加而減?。?當(dāng)凍融循環(huán)150 次時(shí)，納米SiO2摻量為0、1%、3%、5% 時(shí)混凝土的動(dòng)彈性模量損失為27.3%、14.9%、7.0%、3.3%。

4.納米混凝土研究趨勢(shì)

上述已表明， 納米礦粉（納米SiO2、納米CaCO3等）的摻入對(duì)混凝土的強(qiáng)度及耐久性等性能有明顯的改善作用，但目前納米礦粉的價(jià)格很高， 這就限制了它們?cè)诨炷林械膶?shí)際應(yīng)用，需要進(jìn)一步在納米混凝土的制備技術(shù)方面研究探索以降低其成本。再有就是納米材料在水泥中難以達(dá)到均勻分散，摻入后易結(jié)團(tuán)，在一定程度上限制了混凝土強(qiáng)度的提高，因此，如何改善納米粒子的分散性，使其在混凝土中均勻的分散以更大的提高混凝土的強(qiáng)度是需要更進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

【參考文獻(xiàn)】

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3]郭保林，王寶民.摻納米二氧化硅高性能混凝土性能試驗(yàn)研究[D].大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文，2009.

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[5]黃功學(xué)，謝曉鵬.納米Si02對(duì)水工混凝土耐久性影響試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2011（7）.

[6]杜應(yīng)吉，韓蘇建，姚汝方，李元婷.應(yīng)用納米微粉提高混凝土抗?jié)B抗凍性能的試驗(yàn)研究[J].功能材料，2004（7）.

[7]李晗，高丹盈，趙軍.纖維納米混凝土力學(xué)性能和抗氯離子滲透性能的研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（12）.

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[9]仲曉琳等.納米粘土材料對(duì)水泥混凝土性能的影響[J].混凝土，2005（8）.