納米材料在混凝土中的運用

秦營霞 粱玉嶺

（中交路橋南方工程有限公司，北京 101121）

納米材料在混凝土中的運用

秦營霞 粱玉嶺

（中交路橋南方工程有限公司，北京 101121）

在混凝土中結合納米材料，能夠提升混凝土的持久性能等，因此相關領域的專家與學者逐漸提高了對此研究的重視。文章通過對當前世界范圍內(nèi)已取得成功應用效果的氧化硅、氧化鈣以及金屬氧化物等納米材料在混凝土中的應用進行分析，總結了納米材料應用的優(yōu)勢之處與亟待改善之處，希望可以為優(yōu)化納米材料在混凝土中的應用提供理論基礎。

納米材料；混凝土；金屬氧化物；持久性能；建筑材料

混凝土作為應用范圍最廣、使用數(shù)量最多的傳統(tǒng)建筑材料之一，自從被研制以來，在人們的生活中起到了非常重要的作用。當前混凝土產(chǎn)量正呈每年2～3成的漲幅上升。另外，隨著人們生活品質(zhì)的不斷提升，對于混凝土質(zhì)量與性能也提出了更高的要求?？茖W技術的快速革新，使混凝土呈現(xiàn)智能化的趨勢發(fā)展。在此形勢下，高科技納米材料被應用到混凝土中，在滿足建筑需求的基礎上，更能夠顯著提升混凝土的各方面性能。

1 納米材料

納米材料最初研制于20世紀80年代中期，雖然迄今為止也不過30余年的發(fā)展歷程，但是其發(fā)展成果非常顯著，其功能性也在不斷豐富與創(chuàng)新。納米材料的直徑一般在1～100納米之間，通常表現(xiàn)為粒子狀態(tài)，位于原子團簇和宏觀個體節(jié)點位置，納米材料的種類主要有納米顆粒、纖維型納米材料、管狀納米材料、固態(tài)納米材料、復合型納米材料等。納米材料相比于宏觀物質(zhì)，具有更多特殊作用，如量子作用、宏觀隧道效應等。除此之外，納米材料還具備電、力、光等能源物質(zhì)的效用。納米材料自從誕生以來，就一直受到世界范圍內(nèi)很多國家的關注和重視，并紛紛投入大量資金和精力，用于納米技術的研究和新型納米材料的研發(fā)。在建筑行業(yè)，相關領域?qū)＜遗c學者，也在不斷尋求更加科學的方法，優(yōu)化納米材料在混凝土中的應用，從當前的研究成果來看，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些有助于提升混凝土性能的無機材料和金屬氧化物，另外，氧化鈣、碳酸鈣等納米材料也在水泥混凝土中取得了較為顯著的應用效果。

2 納米材料在混凝土中的運用

2.1 納米二氧化硅材料在混凝土中的應用

納米二氧化硅在混凝土中的主要用途在于吸收路面空氣中的氮氧化物和硫化物等有毒氣體或者用于凈化新裝房屋中的甲醛等有害氣體，將納米二氧化硅材料應用到混凝土中，具有較高的環(huán)保性能。納米二氧化硅置于混凝土中，會發(fā)生光催化反應，相比于其他能夠發(fā)生光催化反應的半導體材料，納米二氧化硅材料所需的成本更低，而且反應效率更高，且不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，具有較高的環(huán)保特性。除了催化反應之外，納米二氧化硅材料還能夠顯著提升混凝土的物理性能，具體表現(xiàn)在混凝土的防滲透性、抗彎曲性、耐磨損性能、機械性能等。

2.2 納米碳酸鈣材料在混凝土中的應用

將納米碳酸鈣材料應用到混凝土中，所需的材料成本更低，通常納米二氧化硅材料的價格，是納米碳酸鈣氧化物材料的10倍，因此在我國，納米碳酸鈣材料比納米二氧化硅材料擁有更為廣泛的應用范圍。通過試驗表明，納米二氧化硅材料與納米碳酸鈣材料，對于混凝土的前期影響大致相同，并無明顯差異，都可以顯著提升混凝土的強度，不過對于混凝土后期強度的影響較弱。兩種材料混合加入混凝土中，對于混凝土各方面性能的提升效果更加顯著。在混凝土中添加適量的納米碳酸鈣材料，能夠較為顯著地緩解混凝土早期的氯離子滲透性能。如果納米碳酸鈣材料添加過量，反而會與混凝土中的水化硫鋁酸鈣發(fā)生反應，體積增大，進而使混凝土結構不穩(wěn)定，強度降低。

2.3 納米金屬氧化物在混凝土中的應用

納米氧化物主要應用于智能混凝土，可以彌補無機非金屬材料韌性不足的問題，防止混凝土脆性較大，出現(xiàn)瞬發(fā)斷裂的情況，避免造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。將納米金屬氧化物應用到自感應混凝土中，能夠使混凝土自帶導電效果，從而起到傳感作用，能夠運用此原理實現(xiàn)對于汽車載重的檢驗。除此之外，納米金屬氧化物材料還可以被運用到水泥混凝土中，不但能夠提升混凝土的各方面性能，還能夠保持混凝土的環(huán)保作用。另外，納米氧化物材料制作的壓電混凝土，還能夠生產(chǎn)大量的電能，起到能源高效利用的效果。不過從當前的實踐效果來看，技術成果并不明顯。

2.4 碳納米纖維在混凝土中的應用

當前碳納米纖維材料在實際應用中具有較為顯著的成果。碳納米纖維材料屬于中空管道，能夠與水狀混凝土發(fā)生良性的互助效果，碳納米纖維材料具有較高的彈性，所以能夠使混凝土的承擔應力增強，防止裂紋現(xiàn)象的發(fā)生。碳納米纖維材料還可以增強混凝土的機械性能，如抗壓能力、防裂縫能力、防磁化能力等，除此之外，碳納米纖維材料還可以用于橋梁等大型工程的修建，提高建筑材料的韌性，避免材料過脆引發(fā)建筑瞬間斷裂的現(xiàn)象發(fā)生，保障人員和財產(chǎn)安全。但是由于碳納米纖維材料的生產(chǎn)成本較高，較高的價格成為阻礙碳納米纖維材料在混凝土中廣泛應用的主要原因。

3 納米材料與特種混凝土

3.1 高韌性混凝土

通常情況下，混凝土抗拉應變系數(shù)在0.2%左右，近年來的相關研究表明，在特種混凝土中添加納米材料，能夠顯著優(yōu)化混凝土的彈性和韌性。也就是說，如果在混凝土中添加韌性較高，而且更易與水泥發(fā)生反應的納米材料，將可以使混凝土的韌性得到進一步提升，這屬于“微觀復合反應”。

3.2 高壽命混凝土

在多孔混凝土外表面涂覆鈣、鎂等材料，會使混凝土發(fā)生離子反應，進而形成玻璃態(tài)的納米膠態(tài)材料，其中含有豐富的硅酸鹽，能夠使混凝土的強度增強10倍左右。除此之外，還能夠改善混凝土表面防水性能，進而延長混凝土的使用壽命。通常情況下，這類型的混凝土主要應用于道路、房屋等工程建設中。日本在最新研究中發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加入具有防酸性強的添加劑，有助于改善混凝土的碳化和防凍等性能，最高可使混凝土的使用年限超過500年。

3.3 生態(tài)混凝土

將活性較高的納米材料通過凈水處理，添加到多孔混凝土中，借助混凝土的多孔性和粗糙性，可以使混凝土具備水質(zhì)凈化效果，并有助于混凝土適應生態(tài)環(huán)境，優(yōu)化景觀，形成生態(tài)型混凝土。當前生態(tài)混凝土主要應用于河流、池塘以及地下管道的水質(zhì)優(yōu)化等工程中對于保護生態(tài)環(huán)境具有非常重要的促進作用。將生態(tài)混凝土應用到海水凈化工程中，其去碳效率高達70%以上。

將加氣混凝土類的多孔質(zhì)材料，用于有機肥料的排污中，能夠大幅度去除污水中的磷元素，除此之外，加氣混凝土還能夠應用于藥液的承載，效果十分顯著。隨著人們環(huán)保意識的加強，有研究人員嘗試將具有特殊效用的混凝土添加到綠色植物的培植中，不但能夠凈化空氣，提升植物的美觀性，還有助于植物土壤的蓄水效果。將納米材料混凝土應用于房屋建筑中，還有助于增強墻面的隔熱效果。

4 運用納米材料的問題及對策

通過分析國內(nèi)外研究成果發(fā)現(xiàn)，對于納米技術在混凝土中應用的優(yōu)勢之處主要可總結為以下三個方面：其一是能夠提升混凝土級別，因為納米材料的顆粒非常微細，可以有效地與混凝土中其他成分相配合，進而增強混凝土的性能；其二是填充效果。納米材料憑借其直徑小的特點，可以填充在混凝土的縫隙間，進而降低無機非金屬材料出現(xiàn)裂縫的可能性，除此之外，還能夠提升混凝土的防滲透性能，增強混凝土的強度和持久性能；其三是加快水泥水化速度，因為在納米材料添加到混凝土中的前期，能夠生成大規(guī)模的晶核，并達到水泥水化物的中央?yún)^(qū)域，加快水化速度，增強混凝土在前期的強度和各方面性能，其實是一些納米材料能夠在混凝土中發(fā)揮較強的催化作用和抵御細菌的功效。

在納米材料應用到混凝土的實踐過程中，也存在一些需要改進的問題：其一是會使混凝土用水量大幅上升，這是因為納米材料的顆粒非常細小，與其他材料融合過程中會產(chǎn)生大量縫隙，在此過程中常常需要添加更多的水量，但是隨著水量的增多，又必然會導致混凝土的強度減弱。因此在納米材料在混凝土的實踐運用中，應當平衡好納米顆粒投入量與混凝土強度的關系；其二是要合理應用納米材料的分散現(xiàn)象，因為納米材料表面擁有較好的活性，這有助于其顆粒有效聚合，相比于沒有出現(xiàn)分散現(xiàn)象的納米材料，分散后的納米材料能夠更加顯著地提升混凝土的性能，雖然有研究者嘗試在納米材料表面添加活性劑，但是在顯著提升其分散性的同時，也大幅增加了混凝土的生產(chǎn)成本；其三要注意到納米材料在提升混凝土某一性能的同時，有可能導致其他方面性能的減弱，因此在應用過程中要全面分析，協(xié)調(diào)好二者之間的關系；其四是要控制好添加劑對納米材料的影響，防止強化劑、混合劑、吸水劑等添加劑的加入，會減弱納米材料的性能。

5 結語

雖然當前對于納米材料在混凝土中應用的研究體系尚不成熟，但是納米材料的優(yōu)越性是無可置疑的，不但能夠顯著增強混凝土的各方面性能，還能夠豐富混凝土的用途。本研究以納米二氧化硅材料、納米金屬氧化物、碳納米纖維為例，對納米材料在混凝土中的應用進行分析，同時也指出了納米材料應用過程中的有待改進之處，相信隨著科學技術的不斷發(fā)展，納米材料的應用必然得到進一步優(yōu)化。

[1]魏湫龍，蔣周陽，譚雙雙，李啟東，麥立強．釩氧化物納米材料在鈉離子電池中的應用[J]．硅酸鹽學報，2016，5（8）.

[2]王超，許伊，侯俊，王沛芳，尤國祥，苗令占，呂博文．人工納米材料在水-生物膜體系中的環(huán)境行為與毒性效應研究進展[J]．環(huán)境工程學報，2016，8（8）.

[3]佘安明，徐玉敬．納米碳酸鈣在混凝土中的應用研究進展[J]．混凝土世界，2016，10（9）.

[4]張曉媛，顧平，張光輝．納米材料在放射性廢水處理中的吸附應用[J]．環(huán)境化學，2016，10（1）.

（責任編輯：蔣建華）

TU528

1009-2374（2017）12-0060-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.031

秦營霞（1978-），女，河北泊頭人，中交路橋南方工程有限公司助理工程師，研究方向：公路工程。

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