0引言
纳米材料典型的晶粒尺寸为1~100nm,作为一种新材料在各领域展现出广阔的应用前景。在当今建筑行业,水泥混凝土被广泛应用,但是由于其成本的原因,还没有对纳米技术及纳米材料在水泥混凝土的改造性上加以重视。研究证实,水泥硬化浆体的组成是:纳米级孔、纳米级粒子和毛细孔。研究成果证实:用纳米技术及纳米材料可以进一步改善水泥混凝土的微观机构,可以对水泥混凝土进行改性,显着提高混凝土的物理学性能和耐久性。
1纳米材料的特性及作用
实验研究显示,使用纳米技术将纳米材料加入水泥混凝土,水泥混凝土的空隙将会被纳米矿粉填充,是混凝土的流动性增加,还可以使混凝土中水泥和骨料的结构面得到改善,增加混凝土的强度、耐久性和抗渗性能,这是由于纳米粒子的表面效应和小尺寸效应的结果。使用纳米技术将粒子的尺寸减小到纳米级,会引起表面原子数急剧增加,粒子的表面积和表面能都会随着上升,与普通粒子相比,化学活性和催化活性都有很大的变化,这样可以使纳米矿粉和水化产物大量键合,同时在以纳米矿粉为泾河的颗粒表面形成水化硅酸钙凝胶相,把相对松散的水化硅酸钙进行胶凝,变为以纳米矿粉为核心的网状结构,致使水泥
石的徐变度降低,由此可以提高水泥硬化浆体的强度及其他的性能[1]。
2纳米技术在混凝土中的应用
应用在混凝土中的纳米材料主要有纳米SiO2、纳米TiO2、碳纳米管、纳米ZrO2、纳米碳酸钙、纳米粘土等。
(1)纳米SiO2是较早被应用于提高混凝土性能的研究中的。纳米SiO2具有更强的凝硬性,纳米SiO2与氢氧化钙晶体发生反应,在骨料—水泥界面过渡区形成C—S—H凝胶,有效的降低了氢氧化钙晶体的数量和大小,由此可以提高早期的水泥混凝土的强度,并可以提高31%~57%的抗折强度。混凝土中加入纳米SiO2,较之以前,结构更加紧密。均匀,有效提高了水泥混凝土的水渗透性。
(2)纳米TiO2作用于水泥混凝土中可以发生光化学反应,起到催化作用。在道路工程中,可以起到吸收汽车尾气的作用。使用纳米材料TiO2颗粒,制备具有光催化自净作用的混凝土,可以吸收城市污染物,且在被雨水冲刷过程中可直接进入回收处理系统。纳米TiO2加粉煤灰替代部分水泥,能配制出机械强度更高、耐久性更好的混凝土,其原理是颗粒更小,比表面积更大,反应速度加快,其最关键的影响因素实纳米粒子的尺寸。
(3)具有优异机械性能的碳纳米管经常被用来提高水泥基复合材料的承载性。纳米成像证实,增强水泥浆的微观机构的稳定性,是碳纳米管通过桥接纳米孔实现的;纳米压痕实验结果证实,碳纳米管通过减
少孔隙度并增加C-S-H的量来使水泥浆的纳米结构增强。碳纳米管也是智能混凝土的原材料之一,本身就具有很好的电学性能。根据此特性,可以将碳纳米管应用到水泥质的材料中去,合成的多功能纳米复合材料具有高应变灵敏度和信噪比的压阻和应变感测特性,利用此特性,可以制造自感纳米复合水泥将,可以实现混凝土结构的结构健康监测。还可以实现自感混凝土的制备等。
(4)纳米粘土的主要成分是SiO2和Al2O3,掺入混凝土中,致使水泥水化的早期速度加快,增多水化产物的量;与没有加入纳米材料的水泥混凝土相比,加入以后的水泥混凝土水化的孔结构改善,大孔数量减少,小孔数量增多,微观结构更加致密;加入纳米粘土材料后,增强减水作用,促使晶核发生反应,密实性更好,可以提高混凝土的强度和耐久性能。试验证明,在相同流动度的条件下,加入水泥质量的0.75%的量的纳米粘土材料,可以将水泥净浆和混凝土的用水量减少10%左右。将纳米粘土材料加入混凝土后,可将混凝土3d、7d、28d的抗压强度分别提高20%、15%和10%;加入纳米粘土材料后,对于混凝土的抗渗性和抗冻性也有很明显的改善。在纳米黏土材料的填充、减水和晶核的多重作用下,水泥的水化速度和程度显着加快,由于水泥石的孔结构和密实性的改善,致使混凝土抗压强度和耐久性都有相对的提高。通过XRD、DSC-TG、SEM分析等可以认为纳米粘土掺入混凝土中能起到减水、填充和晶核3个作用,从而提高混凝土的密实度[2]。
(5)纳米ZrO2由于其具有耐高温、耐腐蚀等特性,在高性能陶瓷中被广泛应用。由于纳米ZrO2粉体具有相变效应和纳米颗粒相应,
所以可以提高陶瓷的致密性。有学者认为将纳米ZrO2掺入水泥材料中,可以制备高强度、高性能混凝土。Mcolm研究小组在水泥基裁量中加入纳米ZrO2,水泥石的断裂强度可以提升到44Pa,水泥石的断裂韧性提高了将近4倍[3]。
3结语
混凝土通过加入纳米材料改性后,强度、任性、耐久性等各方面的性能都有显着的提高。所以对于建筑材料来说,纳米矿粉将成为制备高性能混凝土的重要材料。另外,我们可以将特殊的纳米材料加入混凝土中国,制备不同具有不能性能的混凝土。但是纳米材料的价格是其运用于水泥混凝土中的最大阻碍,要从纳米材料的制备入手,降低成本,同时还需要展开大量的试验和机理研究,对纳米材料在混凝土中的引入进行定量分析,以提高利用率,降低成本。目前的研究成果较少,纳米材料之间的差异也较大,不具有普适性。需要开展系统性的试验研究,形成指导性规范。
参考文献
[1]李君尉.纳米技术在高性能混凝土应用中的研究进展[J].建材发展导向,2017,15(20):37-39.
[2]许耀群,李曙光,王娟,等.纳米材料对混凝土耐久性和功能性影响研究[J].水利水电技术,2017,48(09):208-215.
[3]赵岩.纳米CaCO3等对掺防水剂的水泥基材料性能的影响研究[D].安徽理工大学,2017.
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