王廣濤

（重慶欣材混凝土集團(tuán)有限公司，401147）

淺析納米材料在混凝土中的應(yīng)用

王廣濤

（重慶欣材混凝土集團(tuán)有限公司，401147）

隨著我國(guó)建筑施工要求的不斷提高，對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性等性能提出了新的要求，傳統(tǒng)的水泥混凝土已經(jīng)不能滿足多樣化和高標(biāo)準(zhǔn)的施工規(guī)范要求。將納米材料作為一種摻加料引入到混凝土的拌合過程中從而改良混凝土的各方面性能是近年來的研究熱點(diǎn)。本文介紹了不同納米材料在混凝土中的應(yīng)用，并主要對(duì)納米礦粉和硅粉對(duì)高強(qiáng)混凝土的改性進(jìn)行了分析，以期為納米材料在混凝土中的發(fā)展提供參考。

納米材料；混凝土；性能；應(yīng)用

前言

混凝土的發(fā)展歷史可以追溯到1824年水泥的問世，至今已有200年歷史。隨著鋼筋和混凝土的完美結(jié)合，鋼筋混凝土已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑的主要建筑材料。多年來，混凝土材料一直以高強(qiáng)度為主要目標(biāo)，同時(shí)協(xié)調(diào)耐久性、抗疲勞性能的發(fā)展。隨著對(duì)水泥混凝土配合比、外加劑以及養(yǎng)護(hù)方法的改善，如何進(jìn)一步提高混凝土強(qiáng)度以及各方面性能成為攻關(guān)的難點(diǎn)。近年來研究人員發(fā)現(xiàn)，多種材料達(dá)到納米級(jí)別后會(huì)表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，因此將納米材料引入到混凝土的生產(chǎn)中已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。納米礦粉、納米級(jí)碳酸鈣、硅粉、納米氧化物以及納米金屬粉等在提高混凝土強(qiáng)度和耐久性以及滿足多種建筑需求方面發(fā)揮了重要作用。

一、納米混凝土分類

1、根據(jù)添加納米材料的不同，納米混凝土主要可以分為三類，主要有納米礦粉混凝土、納米金屬粉混凝土、納米氧化物混凝土。目前應(yīng)用最多的主要是納米礦粉混凝土。納米礦粉主要包括納米二氧化鈣、納米碳酸鈣、納米硅粉等納米級(jí)材料。納米氧化物比如二氧化鈦（TiO2）制備的混凝土成型后在太陽(yáng)光的催化作用下，可以對(duì)多種有害氣體進(jìn)行氧化分解，最終形成無機(jī)小分子顆粒或者礦物酸等物質(zhì)。而納米金屬粉制備的混凝土由于其中金屬粉的電屏蔽作用可以用來生產(chǎn)屏蔽混凝土，滿足特種建筑要求。

2、根據(jù)功能不同進(jìn)行分類，納米混凝土主要有防水混凝土、環(huán)?；炷?、敏感混凝土和隱身混凝土等。

二、納米材料的作用機(jī)理

納米技術(shù)的概念是由理查德.費(fèi)曼于1959年提出，在過去的半個(gè)世紀(jì)，物理和化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展已經(jīng)證實(shí)了納米技術(shù)的諸多觀點(diǎn)。當(dāng)材料達(dá)到1 ～100nm范圍時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出與宏觀物體不同的性能，但是又與材料的分子或者原子性質(zhì)存在差異，這種介于材料宏觀性能和分子性能之間的介關(guān)結(jié)構(gòu)材料就是納米材料。納米材料由于尺寸的微小，可以達(dá)到很大的比表面積，從而表現(xiàn)出較高的表面活性，同時(shí)，還具有其他效應(yīng)。

1、小尺寸效應(yīng)

小尺寸效應(yīng)是指材料由于顆粒尺寸變小而引起的材料宏觀性能的變化。尺寸表小時(shí)，材料的比表面積會(huì)增大，當(dāng)尺寸足夠小，會(huì)形成巨大的比表面積，從而產(chǎn)生新的性質(zhì)。最明顯的一個(gè)例子就是化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物的接觸面積會(huì)因?yàn)楸缺砻娣e的增大而增大，從而獲得較高的反應(yīng)速率，表現(xiàn)出一種催化劑的性質(zhì)。界面原子在外力作用下易發(fā)生遷移，而較大的比表面積意味著更多的界面，因此納米材料通常表現(xiàn)出交高的延展性，而部分材料的強(qiáng)度也會(huì)得到極大的提高。

2、量子效應(yīng)

超微顆粒會(huì)將宏觀材料中連續(xù)的能帶分裂為分立能級(jí)，當(dāng)熱能、電場(chǎng)能等比平均能級(jí)間距小時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出與宏觀材料不同的特性。如比熱容和電子的奇偶數(shù)相關(guān)、介電常數(shù)的變化等，同時(shí)納米材料還會(huì)表現(xiàn)出宏觀量子隧道效應(yīng)。

3、體積效應(yīng)

材料的各種宏觀性質(zhì)得以表現(xiàn)的前提是以無限多個(gè)原子組成塊狀物質(zhì)。而納米粒子由于體積小，原子數(shù)較少，因此表現(xiàn)出來的性能不同于宏觀材料的性能，我們稱之為體積效應(yīng)。

三、納米材料在混凝土中的應(yīng)用

1、硅粉

硅粉又名微硅粉，學(xué)名硅灰，其主要成分是二氧化硅。一般硅灰的平均粒徑在100nm左右，屬于納米材料的范疇。硅粉主要是與火山灰作用，形成膠凝材料，從而降低水泥的用量，達(dá)到節(jié)約的目的。硅粉可以在一定程度上替代水泥，降低水化熱的排放，從而配制出高強(qiáng)低熱的混凝土。水利工程中由于混凝土體積巨大，水化熱需要進(jìn)行嚴(yán)格限定，因此，高強(qiáng)低熱的硅粉混凝土被廣泛用于水利等大體積混凝土工程中。從上世紀(jì)70年代開始，挪威和瑞典等國(guó)家已經(jīng)開始在港口和大壩的修建過程中采用硅粉混凝土，美國(guó)首先將硅粉混凝土應(yīng)用在水壩的消力池建造上，效果良好，我國(guó)從上世紀(jì)80年代開始，陸續(xù)在泄水閘修補(bǔ)等工程中采用硅粉混凝土，取得了較好的效果。硅粉混凝土以其優(yōu)良的性能，特別是高強(qiáng)度和高耐久性，以及提高早起強(qiáng)度和降低回彈量等性能備受關(guān)注。

值得注意的是，在采用硅粉混凝土?xí)r，需要配合減水劑的使用。如果不采用減水劑，則需要加大水的用量，較大的水灰比會(huì)嚴(yán)重降低混凝土強(qiáng)度。這也是早期硅粉混凝土未能得到及時(shí)推廣的原因之一。一般情況下，硅粉的摻加量過多會(huì)造成混凝土粘稠，施工和易性降低，而過少的添加量對(duì)混凝土的改性效果不明顯，根據(jù)施工規(guī)范，一般在10%以內(nèi)為宜。必要時(shí)需要建立“強(qiáng)度——硅粉摻量”曲線，測(cè)定最佳硅粉摻加量。當(dāng)需要較高的混凝土力學(xué)性能時(shí)，可以采取不變更水泥用量，對(duì)硅粉采取外摻法，這樣相當(dāng)于變相增加了混凝土中的膠凝材料，會(huì)達(dá)到較好的效果。

2、CaCO3

相比于二氧化硅的高成本，碳酸鈣（CaCO3）的價(jià)格大約只有二氧化硅的十分之一，因此納米碳酸鈣在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用更加廣泛，相關(guān)研究進(jìn)行的也較多。從性能上看，碳酸鈣與二氧化硅的差別主要是對(duì)施工和易性的影響。硅粉需要配合減水劑使用，否則會(huì)造成粘稠度過高，不易振搗密實(shí)，而碳酸鈣對(duì)混凝土的施工和易性基本無影響，并且兩者均能提高混凝土的早起強(qiáng)度。

值得注意的是，碳酸鈣的摻加比例應(yīng)該得到控制，過高的摻加量會(huì)造成水化硫鋁酸鈣和水化碳鋁酸鈣的增多，這兩者會(huì)造成混凝土的體積膨脹，從而破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低強(qiáng)度。但是可以選擇將硅粉和納米碳酸鈣共同作為外摻劑加入到混凝土中，這樣有利于形成更好的級(jí)配，從而獲得更好的密實(shí)程度和更高的強(qiáng)度。

四、特種混凝土的制備

1、高壽命混凝土

在港口、永久路面等永久性建筑中，需要更高的混凝土壽命?？梢酝ㄟ^涂覆方法使混凝土表面形成一種以硅酸鹽為主的納米膠凝材料，從而阻斷酸性物質(zhì)對(duì)內(nèi)部混凝土的腐蝕作用，也可以改善混凝土的收縮徐變等性能，達(dá)到更高的使用壽命。

2、電子屏蔽混凝土

納米金屬粉末均勻分布在混凝土中會(huì)形成有效的電磁屏蔽墻或者隱身建筑，可以滿足軍事上的特殊需求。同時(shí)，電磁屏蔽在減少外界電磁波對(duì)建筑內(nèi)部用電設(shè)備干擾，保證高精以期正常工作方面也有突出作用。

3、環(huán)?；炷?/p>

前文提到的納米TiO2用于混凝土中，可以進(jìn)行空氣的凈化。主要是TiO2在紫外光的激發(fā)作用下產(chǎn)生較大點(diǎn)位，可以氧化有害氣體，從而達(dá)到凈化空氣的作用。試想如果公路水泥路面在制備過程中添加TiO2，可以有效降低車輛尾氣對(duì)大氣的污染。

結(jié)語(yǔ)

作為材料科學(xué)與工程研究的前沿，納米材料的應(yīng)用范圍之廣涵蓋了物理、化學(xué)、生物等多個(gè)領(lǐng)域。目前，納米材料在混凝土中的應(yīng)用尚處在起步的探索階段。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)建筑材料必然會(huì)提出越來越多的要求。如何抓住納米科技發(fā)展的新契機(jī)，將傳統(tǒng)建筑材料和納米材料進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而創(chuàng)造高強(qiáng)、耐久的混凝土，滿足不同需要，是材料研究工作者的重要任務(wù)。新科技和傳統(tǒng)材料的結(jié)合必將讓混凝土重新煥發(fā)青春！

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1007-6344（2015）10-0085-01