沈衛(wèi)國(guó)　趙　清　王云天　許鴿龍　何鵬濤　周聰聰　劉　燚.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北　武漢 40070；.華潤(rùn)水泥控股海南大區(qū)，海南　?？凇?7000；中技國(guó)際工程有限公司，湖北　武漢　40070

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二氧化鈦納米顆粒改性自潔凈混凝土的制備研究

沈衛(wèi)國(guó)1趙清2王云天3許鴿龍1何鵬濤1周聰聰1劉燚1
1.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070；2.華潤(rùn)水泥控股海南大區(qū)，海南海口570003；中技國(guó)際工程有限公司，湖北武漢430070

摘要自潔凈混凝土可以減少空氣污染物從而達(dá)到凈化城市的效果。利用具有納米特性的水泥水化產(chǎn)物C- S- H凝膠和具有光催化作用的TiO2納米顆粒制備超平表面的光催化混凝土，結(jié)果表明：所制備的混凝土表面被C- S- H凝膠和粒徑為幾十納米的TiO2顆粒覆蓋，其粗糙度在3.5 nm~11 nm之間，并且光催化超平表面混凝土可以有效光解亞甲藍(lán)。由于該種混凝土具有超平表面和光催化特性，污染物可以很容易地被雨水清洗掉，所以這種新型混凝土有望作為自潔凈裝飾材料用于城市建筑。

關(guān)鍵詞超平表面混凝土水化產(chǎn)物粗糙度光催化自潔凈混凝土

0　引言

環(huán)境的可持續(xù)性已經(jīng)成為一個(gè)尖銳的問(wèn)題，并且引起了政府、政策制定者、學(xué)者、行業(yè)和公眾的特別關(guān)注[1- 3]?；炷敛徽撛诮ㄖ锘蛘呤堑乇矶家殉蔀榱酥饕采w物，若對(duì)混凝土進(jìn)行功能性的改善，將在很大程度上提高環(huán)境可持續(xù)性。比如在混凝土表面覆蓋一層具有光催化作用的TiO2，而TiO2會(huì)被陽(yáng)光中的紫外線激發(fā)而使有機(jī)顆粒和空氣污染物分解或轉(zhuǎn)化[4- 5]，此種功能會(huì)使得城市更加潔凈，我們稱這種新型材料為自潔凈混凝土。自潔凈混凝土可以用于一些建筑和路面[6- 7]，將多相光催化氧化反應(yīng)用于激活的混凝土路面可以凈化空氣中的NOx[8]；Ling和Poon利用廢玻璃和光催化TiO2制備出干混型的路面磚[9]；Youse研究了納米TiO2對(duì)混凝土強(qiáng)度和拌合物流動(dòng)性的影響[10]。然而，因?yàn)榛炷链植诘谋砻?，污染物粘附在混凝土表面并不能真正達(dá)到自清潔的作用，所以說(shuō)目前的研究還沒(méi)有真正得到像光催化玻璃一樣自清潔的效果。硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物——C- S- H凝膠，占硬化水泥漿體的60%~75%[11]，并且被廣泛認(rèn)為是非晶態(tài)或是部分晶態(tài)的納米顆粒[12- 13]。根據(jù)C- S- H凝膠的納米特性，可以利用一項(xiàng)被稱為比表面復(fù)制物的專利技術(shù)將C- S- H凝膠用于制備超平混凝土[14]。并且目前只有TiO2具有光催化作用，其較高的成本決定了節(jié)約TiO2是研究人員所面臨亟待解決的問(wèn)題。本研究制備了一種具有光催化作用的超平混凝土，它可以分解混凝土表面上的具有惡臭味的物質(zhì)、空氣污染物、病毒、孢子和細(xì)菌，同時(shí)研究了混凝土的形態(tài)特征、表面粗糙度和光催化性質(zhì)。

1　試驗(yàn)方法

1.1原材料

（1) 水泥：P·O 42.5，其化學(xué)組成和物理性質(zhì)分別見表1和表2。

（2) 外摻料與集料：納米TiO2粉末、聚羧酸減水劑、砂、碎石和粉煤灰陶粒的性質(zhì)見表3。

表1 水泥化學(xué)組成 %

表2 水泥的技術(shù)指標(biāo)

表3　外摻料與集料的性質(zhì)

1.2試樣制備

（1) 水泥漿與新拌混凝土制備：水泥和不同摻量TiO2(0%、2.5%、5.0%和7.5%)在直徑為500 mm的試驗(yàn)球磨機(jī)中混合30 min。然后以0.22~0.27的水灰比將不同納米TiO2含量的水泥、1.2%聚羧酸減水劑和水混合制備高流動(dòng)性水泥漿。同時(shí)將水泥、砂、碎石、飽水輕集料、聚羧酸減水劑和水混合制備適當(dāng)流動(dòng)度和粘度的新拌混凝土。

（2) 成型與養(yǎng)護(hù)：首先，將0.5 mm~1.0 mm含有納米TiO2的水泥漿層鋪于光滑的基層，然后基層與水泥漿體在55 Hz的振動(dòng)臺(tái)上共同振動(dòng)直到水泥漿完全覆蓋整個(gè)基層。60 min后，將一層新拌混凝土鋪至水泥漿之上，后再振動(dòng)一次。最后，將新拌混凝土密封并以0.2 kPa的荷載加壓使水泥漿和基層完全接觸，然后在常溫不低于95%的濕度條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.3測(cè)試方法

用JEOL- 6700F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察混凝土表面；DI- IV型掃描探針顯微鏡（AFM）用來(lái)測(cè)試表面形態(tài)和敲擊模式下分析超平混凝土的粗糙度，所用的氮硅探針尺寸在5 nm ~10 nm。以紫外線下亞甲藍(lán)(MB)溶液在混凝土表面光解程度表征自潔凈混凝土的光催化特性。具體方法如下：將150 mm×15 mm×10 mm的混凝土試樣浸泡于150 mlMB溶液中，并將含有納米TiO2的表面置于距離紫外線燈（波長(zhǎng)365 nm，強(qiáng)度為122 mw/cm2）10 cm處。溶液試樣每隔30 min提取一次，直到150 min，然后使用紫外線和可見光分光光度計(jì)測(cè)試溶液對(duì)665 nm波長(zhǎng)的吸收程度?；炷凉獯呋饔玫慕到饴视檬?1)得出[15]。

2　結(jié)果與討論

2.1混凝土表面形態(tài)

所制得的超平光催化混凝土可以像鏡子一樣產(chǎn)生鏡面反射，表明超平混凝土的粗糙度小于可見光波長(zhǎng)380 nm ~780 nm。C- S- H凝膠的尺寸在5 nm到幾十納米之間，與TiO2的尺寸非常相近，經(jīng)振動(dòng)和受壓，C- S- H凝膠和TiO2顆?？梢酝耆采w在基層表面，脫模后就獲得了超平混凝土。如圖1，當(dāng)FEGSEM放大倍數(shù)增加到5×104時(shí)才可以看到一些凹凸面，說(shuō)明基層表面與C- S- H凝膠和TiO2顆粒之間還存在細(xì)微的間隙[16- 18]，但混凝土達(dá)到如此平整的表面完全可以滿足自潔凈的目的。

圖1　FEGSEM放大5×104倍時(shí)超平混凝土的表面

2.2混凝土的粗糙度

由超平混凝土表面AFM圖像（如圖2）上可以看出，超平混凝土的表面主要由納米顆粒組成[13,19]，顆粒尺寸在20 nm~50 nm之間，20 nm左右的C- S- H凝膠顆粒在某些區(qū)域密集地堆疊在一起，并且混凝土表面非常平滑。選取(1.0×1.0)μ m2的微區(qū)分析超平混凝土的表面粗糙度，所獲取的粗糙度值見表3，Z軸幅度在45 nm~100 nm之間，所選區(qū)域粗糙度的算術(shù)平均數(shù)為3.5 nm~11 nm，比拋光后的水泥漿體更加平整[21]，并且粗糙度比可見光波長(zhǎng)更小。

圖2　超平混凝土表面AFM圖像

2.3超平混凝土的光催化作用

用亞甲藍(lán)溶液的光解效應(yīng)評(píng)估自潔凈混凝土的光催化作用，溶液顏色見圖3（彩色圖見P48），不同混凝土亞甲藍(lán)光解的情形見圖4，含TiO2的混凝土表面對(duì)亞甲藍(lán)的光解率有明顯的影響。圖中顯示亞甲光解程度隨在紫外線下的曝光時(shí)間增長(zhǎng)而增加，對(duì)比樣具有一定的光解率是因?yàn)閬喖姿{(lán)被混凝土吸收。含有較高TiO2量的混凝土具有更高的光解率，但是隨著曝光時(shí)間增加，不同TiO2摻量的混凝土的光解率并沒(méi)有明顯的差別。

表3　混凝土的粗糙度

圖3　隨曝光時(shí)間增加混凝土表面對(duì)亞甲藍(lán)光解作用注：彩色圖見P48。

2.4自潔凈混凝土產(chǎn)品制備

如圖5，不同層按由下到上順序依次施加，并在其上方加以一定荷載，使水泥漿與底層之間完全貼合，脫模養(yǎng)護(hù)后鏡面般的水泥漿粘附在混凝土上而形成自潔凈混凝土。除此之外，用不同的顏料調(diào)配水泥漿，形成不同顏色的表面，如此可以滿足不同建筑的外觀要求。并且目前外墻美觀存在耐久性問(wèn)題，有機(jī)涂料往往在自然環(huán)境中逐漸失去裝飾效果，而自潔凈混凝土將顏料融合在砂漿中，可以減緩有機(jī)顏料的老化進(jìn)程，是一種改善外墻美觀耐久性可行的方法。

圖5　自潔凈混凝土制作示意圖

3　結(jié)束語(yǔ)

本研究所制備的混凝土表面具有鏡面效果，在所分析的(1.0×1.0)μ m2區(qū)域中，Z軸幅度在45 nm~100 nm間，所選區(qū)域粗糙度的算術(shù)平均數(shù)為3.5 nm~11 nm。并且這種混凝土可以有效降解亞甲藍(lán)，作為一種超平光催化混凝土，自清潔混凝土是一種有望用于建筑的裝飾混凝土，并且納米TiO2顆粒僅僅用于混凝土表面，所以從經(jīng)濟(jì)性上說(shuō)，自潔凈混凝土的推廣應(yīng)用也是可行的。

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中圖分類號(hào)：TQ172.622.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0473(2016)01-0009-04DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.01.003

收稿日期：（2015- 10- 20）