納米材料對(duì)混凝土性能的影響分析

孫瑞平

(山西工程技術(shù)學(xué)院，陽(yáng)泉 045000)

納米材料對(duì)混凝土性能的影響分析

孫瑞平

(山西工程技術(shù)學(xué)院，陽(yáng)泉 045000)

介紹了納米SiO2、CaCO3、TiO2、納米碳纖維等納米材料在混凝土方面的應(yīng)用，分析了它們對(duì)混凝土性能的影響，并預(yù)測(cè)了未來(lái)納米混凝土的研究趨勢(shì)。認(rèn)為：在混凝土中摻入適量的納米材料，其細(xì)微顆?？梢蕴畛涞剿嗟目紫吨?，提高了混凝土的密實(shí)度，從而改善了混凝土的力學(xué)性能和耐久性。

納米材料； 混凝土； 力學(xué)性能； 耐久性

混凝土是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的主要材料，具有承載力強(qiáng)、易成型、可與鋼筋增強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但普通混凝土剛性過(guò)大而柔性不足，以及混凝土本身固有的結(jié)構(gòu)缺陷，使其在使用過(guò)程中不可避免產(chǎn)生開裂、破壞，限制了它在許多領(lǐng)域中的應(yīng)用。納米技術(shù)的出現(xiàn)為混凝土性能的發(fā)展提供了新途徑。

1 納米材料概述

納米材料是通過(guò)對(duì)普通材料在納米尺度(1～100 nm)人工的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)控制，獲得具有全新優(yōu)異物理化學(xué)性能的一種新型材料。1990年7月在美國(guó)巴爾的摩召開第一屆國(guó)際納米科技會(huì)議和第五屆國(guó)際掃描隧道顯微鏡學(xué)術(shù)會(huì)議，標(biāo)志著納米科技的正式誕生。從此，日本和歐洲各國(guó)先后將納米研究作為國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)項(xiàng)目，投入巨額資金，成立納米研究中心。隨后，我國(guó)也啟動(dòng)了一系列重大科研計(jì)劃，中科院組織了中國(guó)科技大學(xué)等單位積極投入納米科學(xué)和技術(shù)的研究，取得了許多矚目的世界成果。1998年清華大學(xué)范守善小組在國(guó)際上首次制備出直徑只有3～50 nm、長(zhǎng)度達(dá)微米級(jí)的半導(dǎo)體一維納米棒，中科院物理所解思深小組合成了目前世界上直徑最小的“超纖維”納米碳管，標(biāo)志著我國(guó)在納米領(lǐng)域的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段[1]。納米科技作為21世紀(jì)最重要的材料和技術(shù)之一，無(wú)疑將對(duì)建筑材料乃至整個(gè)土木工程領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。

2 納米材料在混凝土中的應(yīng)用

2.1 納米SiO2在混凝土中的應(yīng)用

納米SiO2是研究相對(duì)較多的粉體材料，是一種無(wú)定形物質(zhì)，其粒徑僅為20 nm左右，已經(jīng)廣泛用于改性涂料、抗紫外劑、塑料添加劑、橡膠制品、顏料、陶瓷等領(lǐng)域。在水泥混凝土領(lǐng)域，由于其具有極強(qiáng)的火山灰活性、微集料填充效應(yīng)和晶核作用，可以增加混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

2.2 納米CaCO3在混凝土中的應(yīng)用

納米CaCO3是一種惰性顆粒、活性低，具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)的礦物微粉材料，其成本約為納米SiO2的十分之一，多用于橡膠、塑料和涂料等行業(yè)。由于其微小的顆粒尺寸，納米CaCO3表面原子數(shù)、表面積、表面能都迅速增加，從而具有與普通粒子不同的特性[2]。目前主要對(duì)將納米CaCO3摻入混凝土中，對(duì)其力學(xué)性能、水化性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

2.3 納米金屬氧化物在混凝土中的應(yīng)用

銳鈦型納米TiO2具有凈化空氣、殺菌、表面自潔等特征[3]，它可以改善混凝土的相關(guān)性能。利用納米TiO2能凈化空氣，可以制備出能夠分解甚至去除機(jī)動(dòng)車輛尾氣中含有的對(duì)人體有害的SO2等污染氣體的混凝土，這主要是因?yàn)樗且环N優(yōu)良的光催化劑，加入混凝土中能夠使其與機(jī)動(dòng)車排出的尾氣發(fā)生光催化反應(yīng)，從而起到凈化空氣的作用。另外，還可以制成具有電磁屏蔽作用、傳感作用等一系列智能混凝土，這類智能型混凝土可以用于控制混凝土結(jié)構(gòu)的開裂，監(jiān)測(cè)破損狀況，評(píng)價(jià)損傷等。

2.4 碳納米管在混凝土中的應(yīng)用

碳納米管呈管狀，徑向尺寸較小，管的外徑一般在幾納米到幾十納米；管的內(nèi)徑更小，有的只有1納米左右，而長(zhǎng)度一般在微米量級(jí)，長(zhǎng)徑比非常大，屬于很好的高強(qiáng)度纖維材料。將適量的碳納米管摻入水泥當(dāng)中，可有效改善材料的孔結(jié)構(gòu)和微裂紋，并起到橋聯(lián)作用，從而提高水泥基材的力學(xué)性能[4]。

2.5 納米碳纖維在混凝土中的應(yīng)用

設(shè)計(jì)意圖 幫助學(xué)生對(duì)本節(jié)課所學(xué)的知識(shí)、技能、方法有一個(gè)系統(tǒng)全面的認(rèn)識(shí)，從而更好地掌握知識(shí)技能，體會(huì)數(shù)學(xué)思想方法，逐步學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)能力.

納米碳纖維(Carbon nanofibers，CNFs)是由層狀結(jié)構(gòu)的石墨片卷曲而形成的呈現(xiàn)纖維狀的新型的納米碳材料，它的直徑為50～400 nm，長(zhǎng)徑比為100～1 000，是介于碳納米管和常規(guī)碳纖維之間僅有的纖維碳材料，它除具備普通碳纖維的一些優(yōu)質(zhì)特點(diǎn)以外，還表現(xiàn)出自身獨(dú)立的一些優(yōu)質(zhì)特征，比如長(zhǎng)徑比大、比表面積大、結(jié)構(gòu)致密等[5]。與碳納米管相比，它的成本比較小，而且在產(chǎn)量上有很大的優(yōu)勢(shì)，從而使它在復(fù)合性材料、催化劑載體等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

3 納米材料對(duì)混凝土性能的影響

3.1 納米材料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

混凝土的強(qiáng)度是材料抵抗外力作用而不破壞的能力，是混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制過(guò)程中的重要控制因素之一。通常情況下，水膠比越大，混凝土凝結(jié)硬化后形成的孔隙越多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越疏松，混凝土的強(qiáng)度就會(huì)受到影響。

王寶明[6]在一定程度上研究了納米SiO2對(duì)混凝土所起的增強(qiáng)作用效果，結(jié)果表明：對(duì)于不同水膠比的混凝土，摻加不同摻量的納米SiO2后均能不同程度地提高混凝土的早期和后期抗壓強(qiáng)度(早期比后期增強(qiáng)效果顯著)?？赡艿脑蚴撬磻?yīng)初期，具有高活性的SiO2能夠較快地與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次反應(yīng)生成具有強(qiáng)度的水化硅酸鈣凝膠，從而提高混凝土早期抗壓強(qiáng)度。隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，當(dāng)混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度降到某個(gè)臨界值時(shí)，水化反應(yīng)就會(huì)停止。由于納米SiO2的比表面積非常大，與水拌合后吸附的表層水?dāng)?shù)量很大，這會(huì)使得參與水化的水的數(shù)量減少，從而導(dǎo)致后期強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯。

祖天鈺認(rèn)為[7]，在超高性能混凝土中摻入納米碳酸鈣，可以提高UHPC的抗壓強(qiáng)度，顯著提高其抗折強(qiáng)度。分析其原因可能是摻入納米CaCO3后，C-S-H凝膠以納米CaCO3為晶核，在納米CaCO3表面產(chǎn)生鍵合，從而使水化硅酸鈣凝膠形成以納米CaCO3為核心的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部更為密實(shí)。摻入少量的納米CaCO3顆?？梢悦黠@降低Ca(OH)2在基體界面處的定向排列和密集分布。從物理角度來(lái)說(shuō)，納米CaCO3能起到微集料作用，填充在水泥和其他礦物微粉的顆粒之間，提高其堆積密實(shí)度，減小孔隙率，降低UHPC的內(nèi)部缺陷，提高了UHPC的力學(xué)性能。

3.2 納米材料對(duì)混凝土工作性的影響

混凝土良好的工作性要求有好的流動(dòng)性，能填充密布的鋼筋間隙和模板角落；良好的粘聚性以利于在運(yùn)輸、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)過(guò)程中不發(fā)生分層、離析現(xiàn)象；還要求具備良好的保水性，不泌水。

3.3 納米材料對(duì)混凝土耐久性的影響

3.3.1 納米SiO2對(duì)混凝土抗?jié)B性的影響

混凝土抗?jié)B性能低，會(huì)導(dǎo)致一些攜帶有害離子的水分通過(guò)混凝土的孔隙進(jìn)入內(nèi)部，對(duì)其造成腐蝕，鋼筋銹蝕。

李固華[9]的研究表明：在各齡期，納米SiO2均能提高混凝土抗氯離子滲透性。早期效果較顯著，后期效果有所降低。同時(shí)，氯離子的滲透性隨著納米SiO2摻量的提高而降低，摻量3%效果最好。原因可能是由于水泥漿中連通孔隙以及水泥漿與骨料間界面內(nèi)連通孔隙的減少致使混凝土的抗?jié)B性提高。

3.3.2 納米SiO2和納米TiO2對(duì)混凝土碳化深度的影響

混凝土的碳化導(dǎo)致PH值降低，鋼筋失去堿性保護(hù)而銹蝕。王黎明等[10]分別測(cè)試兩種不同劑量混凝土的碳化深度，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著齡期的延長(zhǎng)，納米混凝土的碳化深度不斷增加，且納米材料混凝土的碳化深度均小于普通基準(zhǔn)混凝土。納米材料添加在混凝土中，可以填充水泥水化產(chǎn)生的孔隙，降低CO2的擴(kuò)散，提高了混凝土的抗碳化性能。

3.3.3 納米SiO2對(duì)混凝土抗凍性的影響

當(dāng)氣溫在-4 ℃以下時(shí)，在飽和水情況下，混凝土易發(fā)生凍融循環(huán)破壞，嚴(yán)重影響其耐久性能?；炷潦軆銎茐牡闹饕问接袃煞N：表面剝落與內(nèi)部開裂。納米材料可改善混凝土的微孔結(jié)構(gòu)，提高其密實(shí)度，有利于提高混凝土的抗凍性能。文獻(xiàn)[6,11]表明：高強(qiáng)高性能混凝土在凍融循環(huán)破壞時(shí)，其質(zhì)量損失非常小，僅有少部分表層漿體剝落，最大損失不超過(guò)0.5%。最大凍融次數(shù)前各循環(huán)時(shí)間點(diǎn)摻入納米二氧化硅(NS)的混凝土抗凍耐久性系數(shù)均比不摻NS的有所提高。

3.4 納米碳纖維對(duì)混凝土抗沖磨的影響

混凝土的磨損機(jī)理表明，由于混凝土的表面受到高速含砂水流的磨擦、切削和沖擊，使其慢慢地被磨損、沖蝕，最終導(dǎo)致了混凝土的破壞、失效。當(dāng)納米碳纖維摻入到混凝土中時(shí)，因?yàn)榧{米碳纖維具備的增強(qiáng)、增韌等效應(yīng)，其互相搭接，使得混凝土內(nèi)部的支撐系統(tǒng)呈現(xiàn)出無(wú)序且不均勻分布的狀態(tài)，從而抑制了沖磨破壞而導(dǎo)致的微裂縫的進(jìn)一步延伸。與此同時(shí)，纖維也在一定程度上制約著混凝土碎裂剝落現(xiàn)象的產(chǎn)生，阻礙了其內(nèi)部微裂紋的生成與延展，混凝土膠體發(fā)生破損、碎裂的進(jìn)程也受到了限定，加之納米碳纖維的彈性模量比較大，從而對(duì)硬化以后的混凝土在受到?jīng)_刷的過(guò)程中發(fā)生破壞而形成的微裂紋的擴(kuò)散、貫通等起到了很好的抑制作用，加強(qiáng)了內(nèi)部粗細(xì)集料的磨損性能，降低由于沖擊波被堵塞而導(dǎo)致的局部應(yīng)力的集中程度，增加了劈裂強(qiáng)度，有效地改善高強(qiáng)混凝土的脆性，并且當(dāng)混凝土喪失連續(xù)性時(shí)，還可避免由此產(chǎn)生的整體性損傷，由此增強(qiáng)了它的抗沖耐磨性[12]。

4 結(jié) 語(yǔ)

摻入納米材料后混凝土的強(qiáng)度及耐久性等性能有了明顯的改善，然而由于納米材料的價(jià)格昂貴，極大地限制了它們?cè)诨炷林械膽?yīng)用，需要進(jìn)一步探索納米混凝土的制備工藝以降低成本。另外，納米粒子在水泥中容易團(tuán)聚，在一定程度上限制了混凝土強(qiáng)度的提高，因此，改善其分散性，使其在混凝土中均勻分散以獲得更高的性能是納米混凝土應(yīng)用基礎(chǔ)研究中的一個(gè)重大課題。

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聲 明

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本刊編輯部

Effects of Nano-Materials on Properties of Concretes

SUN Rui-ping

(College of Shanxi Engineering and Technology，Yangquan 045000，China)

The applications of nano-materials such as nano-SiO2、nano-CaCO3,、nano-TiO2and Carbon nanofibers in the aspect of concrete were introduced and their effects on the performance of concrete were analyzed. The further research trends of nano-concrete are predicted. It is found that the proper addition of nano-materials can increase compactness of concrete because the tiny particles can be well filled into the cement pore. Therefore the mechanical properties and durability of concrete are improved.

Nano-materials; concrete; mechanical properties; durability

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.002

2014-12-09.

孫瑞平(1979-)，講師.E-mail:srp2005-2-12@163.com