基于納米技術(shù)增強(qiáng)的土木工程復(fù)合材料性能研究

摘 要：隨著納米科技飛速發(fā)展，其在土木工程方面的應(yīng)用也變得越來(lái)越廣泛。由于納米材料所具備的獨(dú)有的物理、化學(xué)及生物屬性，它為土木工程復(fù)合材料帶來(lái)了一條創(chuàng)新的性能升級(jí)路徑。在土木工程中，納米技術(shù)的主要應(yīng)用表現(xiàn)在對(duì)水泥基材料進(jìn)行特殊改良。通過(guò)向水泥混凝土中混入納米顆粒，例如氧化硅粒子、氧化鋁粒子和二氧化鈦粒子，有助于明顯提升其機(jī)械性質(zhì)。這種納米粒子可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)與物理效應(yīng)來(lái)推動(dòng)水泥硬化，從而縮減硬化過(guò)程的時(shí)間并提升工作效益。此外，納米粒子的引入可以顯著提高水泥粒子間的黏合力，這樣也能有效增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度、耐壓迫特性和持久性。除此之外，納米技術(shù)還能為混凝土提供微空間，增強(qiáng)它的緊密性，并進(jìn)一步提高其使用壽命。

關(guān)鍵詞：納米技術(shù)；土木工程；材料性能

1 前言

納米科技被認(rèn)為是一個(gè)創(chuàng)新的領(lǐng)域，具備歷史性的意義，同時(shí)也被尊稱為21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。在學(xué)術(shù)界，大部分人都一致認(rèn)為納米級(jí)技術(shù)、信息科技以及生物科技是21世紀(jì)三大核心技術(shù)，它們不僅對(duì)全人類的進(jìn)步有著不可忽視的貢獻(xiàn)，同時(shí)也在推動(dòng)各國(guó)的經(jīng)濟(jì)和文化進(jìn)步中起到了至關(guān)重要的作用。著名的科學(xué)家錢學(xué)森明確提到：“納米技術(shù)會(huì)是21世紀(jì)科技進(jìn)步的焦點(diǎn)，它不僅會(huì)帶來(lái)技術(shù)革新，同時(shí)也會(huì)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革”。

納米科技，也稱為納米科技或納米科學(xué)和技術(shù)，有時(shí)又被簡(jiǎn)略地稱為納米技術(shù)，它專注于研究材料的性質(zhì)和應(yīng)用，其特點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)尺寸通常位于0.1到100納米之間。納米技術(shù)的進(jìn)步，為土木建設(shè)領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的推動(dòng)力，賦予了這一行業(yè)前所未見(jiàn)的發(fā)展?jié)摿1]。

2納米增強(qiáng)土木工程復(fù)合材料的制備與表征

2.1納米增強(qiáng)土木工程復(fù)合材料的制備方法

2.1.1直接共混法

在直接共混法中，納米填料與如聚合物或水泥這類基礎(chǔ)物質(zhì)被直接融合，并通過(guò)機(jī)器攪拌或是剪切力，來(lái)確保納米填料得到均衡的分布。因此，需要采用如表面調(diào)整、添加相溶劑或?qū)w表面進(jìn)行改性等措施，以增強(qiáng)納米填料與基體材料的相互作用，并最終優(yōu)化其分散性。

2.1.2原位聚合法

原位聚合技術(shù)首先確保納米級(jí)填料在聚合物單體內(nèi)均勻分布，然后觸發(fā)這些單體進(jìn)行聚合，以實(shí)現(xiàn)納米填料與聚合物基體的緊密結(jié)合。

2.1.3化學(xué)氣相沉積法（CVD）

使用化學(xué)氣相沉積法是一個(gè)高效的技術(shù)，可以成功制備納米碳管和其他納米材質(zhì)。透過(guò)高溫條件下的碳源氣體分解，可以在基礎(chǔ)材料之上沉積納米級(jí)別的納米級(jí)納米管等物質(zhì)，采用此技術(shù)所制備的納米材料具有很高的純度、優(yōu)越的結(jié)晶性，并可以通過(guò)精細(xì)控制反應(yīng)條件來(lái)微調(diào)納米材料的構(gòu)造與性質(zhì)。

2.1.4溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠技術(shù)是一種用于制造無(wú)機(jī)納米復(fù)合物的手段。通過(guò)先將金屬醇鹽、無(wú)機(jī)鹽等前驅(qū)元素溶解于溶劑內(nèi)部以形成溶膠，利用這種技術(shù)制成的材料既純度上乘又具有出色的均勻性，并且可以通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)整反應(yīng)環(huán)境，調(diào)整其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能特性。

2.2納米增強(qiáng)土木工程復(fù)合材料的表征技術(shù)

2.2.1掃描電子顯微鏡（SEM）

掃描電子顯微鏡作為一種納米復(fù)合材料的常規(guī)檢測(cè)手段，能夠揭示出材料表層的微觀形態(tài)及其結(jié)構(gòu)特征。利用掃描電子束的顯微鏡技術(shù)，能得到高清晰度的圖像，進(jìn)一步洞察材料的粒子尺寸、形態(tài)和它們的分布特征。SEM被認(rèn)為是一個(gè)對(duì)于納米增強(qiáng)土木工程復(fù)合材料中的納米粒子的分散狀況、界面形態(tài)和細(xì)致形態(tài)進(jìn)行分析的關(guān)鍵工具。

2.2.2透射電子顯微鏡（TEM）

通過(guò)使用透射電子顯微鏡，可以詳細(xì)分析材料的深層結(jié)構(gòu)以及其晶體布局。利用透射出來(lái)的電子束仔細(xì)檢查材料的微觀層次，可以獲得納米復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)和其中的缺陷描述。TEM具備足夠的分辨能力以滿足納米尺寸觀測(cè)的需求。

2.2.3 X射線衍射（XRD）

X射線衍射技術(shù)被應(yīng)用于評(píng)估材料晶體的構(gòu)造及其晶體學(xué)的屬性。在對(duì)材料樣本進(jìn)行照射時(shí)，能夠準(zhǔn)確測(cè)定材料對(duì)X射線的衍射模式，從而可以估算出材料的晶格構(gòu)成和晶體體積。XRD技術(shù)的應(yīng)用包含了廣角X射線衍射（WAXD）和小角X射線散射（SAXS）兩大方面。WAXD技術(shù)可用于鑒定納米結(jié)構(gòu)單元的各項(xiàng)參數(shù)，例如結(jié)構(gòu)畸變的情況。通過(guò)衍射峰的半高寬，可以計(jì)算得到與晶面方向一致的平均粒子尺寸。SAXS方法是用來(lái)確定粒子的大小分布、其體積比率和粒子與基體界面的面積。

2.2.4傅里葉變換紅外光譜（FTIR）

傅里葉變換紅外光譜技術(shù)作為一種方法，用于詳細(xì)描述材料內(nèi)部的化學(xué)鍵、功能集群以及結(jié)構(gòu)性信息。FTIR技術(shù)在納米強(qiáng)化土木工程復(fù)合材料領(lǐng)域中，能夠作為一種研究方法，用于觀察納米顆粒和基礎(chǔ)材料間的互動(dòng)以及化學(xué)鍵的合成過(guò)程。

2.2.5原子力顯微鏡（AFM）

使用原子力顯微鏡，可以觀察到納米綜合體系在表面的微觀細(xì)節(jié)以及其在近原子層面的微觀結(jié)構(gòu)信息。AFM技術(shù)在納米增強(qiáng)的土木建筑材料中，可以用來(lái)探討納米顆粒的外觀、表面粗糙度以及它們與基材間的互動(dòng)性。

3納米技術(shù)的土木工程復(fù)合材料的性能優(yōu)化

目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大量新型無(wú)機(jī)及有機(jī)聚合物復(fù)合材料，并已成功應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中。

3.1納米材料在建筑材料性能優(yōu)化中的作用

3.1.1提升機(jī)械性能

碳納米管具有獨(dú)特的物理特性和化學(xué)性能，可以有效改善復(fù)合材料的力學(xué)、物理性能。當(dāng)這些納米級(jí)的管狀結(jié)構(gòu)被嵌入到混凝土或金屬材料中，可以顯著提升材料的承載能力[2]。

3.1.2增強(qiáng)耐久性

應(yīng)用納米技術(shù)顯著地增強(qiáng)了建筑材料的持久性。納米粒子具有獨(dú)特的物理、化學(xué)特性以及良好的力學(xué)性能，在水泥基材料中得到廣泛應(yīng)用。納米硅粒子由于其微小的尺寸和高度的活性，能夠在混凝土中均勻分布，填充微小的空隙，從而降低水分和有害化學(xué)物質(zhì)的滲透[3]。

3.1.3改善環(huán)境適應(yīng)性

納米材料在增強(qiáng)建筑材料對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力上也起到了不可或缺的角色。納米材料在提高材料的耐久性和耐水性等方面也具有巨大潛力。這類材料可以與外墻漆結(jié)合，通過(guò)陽(yáng)光來(lái)觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，從而分解空氣中的各種污染物，例如氮氧化物和有機(jī)污染物[4]。

4傳統(tǒng)材料與納米增強(qiáng)工程材料的對(duì)比

本文從納米尺度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)性能的影響以及對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響兩個(gè)方面介紹了目前研究較多的納米技術(shù)在建筑材料中應(yīng)用的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。在表1里，對(duì)比了傳統(tǒng)建筑材料與納米增強(qiáng)材料在性能參數(shù)上的差異。此外，還列舉了大量關(guān)于納米結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系方面的研究成果。這批數(shù)據(jù)是基于最近幾年的研究成果和真實(shí)的應(yīng)用實(shí)例，它們揭示了納米技術(shù)在實(shí)際場(chǎng)景中的巨大影響。

4.1混凝土性能的提升

納米硅粉能顯著改善混凝土的抗凍性能、抗碳化能力以及抗沖擊性能等，得益于納米硅粒子的加入，混凝土的密實(shí)度和均勻性得到了顯著提升。

4.2鋼材性能的改進(jìn)

納米增強(qiáng)的鋼材在抗拉強(qiáng)度上增加了50%，納米技術(shù)在優(yōu)化金屬晶格結(jié)構(gòu)上的運(yùn)用，使得材料的固有強(qiáng)度和延展性都得到了顯著的提升。

4.3外墻涂料的創(chuàng)新應(yīng)用

傳統(tǒng)的外墻涂料缺乏自我清潔和空氣凈化的功能，目前常用的建筑外墻裝飾材料大多存在污染重、成本高、壽命短等缺點(diǎn)。

4.4隔熱材料的性能優(yōu)化

與傳統(tǒng)隔熱材料相比，納米隔熱材料的熱導(dǎo)率下降了50%，這表明它具有更出色的保溫性能和更高的能源效率。

5納米技術(shù)在土木工程復(fù)合材料領(lǐng)域的未來(lái)應(yīng)用

5.1智能建筑材料

目前已經(jīng)有一些研究人員嘗試使用納米技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能建筑功能。例如，可以構(gòu)建納米級(jí)的涂層，這樣在溫度發(fā)生變化時(shí)，它的顏色會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響建筑的熱吸收和反射特性。此外，納米粒子還可作為催化劑參與化學(xué)反應(yīng)，如通過(guò)光催化分解水制氫、二氧化碳還原以及催化氧化等。

5.2自修復(fù)材料

自修復(fù)材料是一類具有自我修復(fù)微小裂縫或損害能力的物質(zhì)，目前已經(jīng)有很多研究報(bào)道了基于納米材料的自修復(fù)材料。這類材料內(nèi)部包含了微細(xì)的納米膠囊，當(dāng)這些納米膠囊出現(xiàn)裂痕時(shí)，它們會(huì)立即破裂，釋放修復(fù)材料，填充裂縫并恢復(fù)材料的原始完整性[5]。

5.3創(chuàng)新應(yīng)用對(duì)未來(lái)建筑設(shè)計(jì)和施工的影響

5.3.1改變?cè)O(shè)計(jì)理念

在過(guò)去幾年中，越來(lái)越多的新型建筑被提出并開(kāi)始投入使用。這批建筑物具有更出色的能力來(lái)適應(yīng)環(huán)境的各種變動(dòng)，例如溫度的不穩(wěn)定和氣候條件，從而提高了人們的居住和使用體驗(yàn)。

5.3.2革新施工技術(shù)

在土木工程領(lǐng)域，納米材料還能提供新的功能。例如，采用自我修復(fù)的混凝土材料能夠降低對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的常規(guī)檢查和維修需求，進(jìn)而有效地減少了維護(hù)的總成本和縮短了維護(hù)周期。這些新材料在土木工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

6結(jié)論

基于納米技術(shù)增強(qiáng)的土木工程復(fù)合材料在力學(xué)性能、耐久性、抗裂性能以及特殊性能等方面均表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。這些研究成果為土木工程領(lǐng)域提供了新的材料選擇和性能優(yōu)化方法，有助于推動(dòng)土木工程技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。未來(lái)，隨著納米技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，納米復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用將更加廣泛和深入。

參考文獻(xiàn)

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