淺析納米材料在混凝土中的應用

王廣濤

（重慶欣材混凝土集團有限公司，401147）

淺析納米材料在混凝土中的應用

王廣濤

（重慶欣材混凝土集團有限公司，401147）

隨著我國建筑施工要求的不斷提高，對混凝土的強度和耐久性等性能提出了新的要求，傳統的水泥混凝土已經不能滿足多樣化和高標準的施工規范要求。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。本文介紹了不同納米材料在混凝土中的應用，并主要對納米礦粉和硅粉對高強混凝土的改性進行了分析，以期為納米材料在混凝土中的發展提供參考。

納米材料；混凝土；性能；應用

前言

混凝土的發展歷史可以追溯到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合，鋼筋混凝土已經成為現代建筑的主要建筑材料。多年來，混凝土材料一直以高強度為主要目標，同時協調耐久性、抗疲勞性能的發展。隨著對水泥混凝土配合比、外加劑以及養護方法的改善，如何進一步提高混凝土強度以及各方面性能成為攻關的難點。近年來研究人員發現，多種材料達到納米級別后會表現出不同的性質，因此將納米材料引入到混凝土的生產中已經成為研究熱點。納米礦粉、納米級碳酸鈣、硅粉、納米氧化物以及納米金屬粉等在提高混凝土強度和耐久性以及滿足多種建筑需求方面發揮了重要作用。

一、納米混凝土分類

1、根據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光的催化作用下，可以對多種有害氣體進行氧化分解，最終形成無機小分子顆粒或者礦物酸等物質。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屏蔽混凝土，滿足特種建筑要求。

2、根據功能不同進行分類，納米混凝土主要有防水混凝土、環保混凝土、敏感混凝土和隱身混凝土等。

二、納米材料的作用機理

納米技術的概念是由理查德.費曼于1959年提出，在過去的半個世紀，物理和化學等學科的發展已經證實了納米技術的諸多觀點。當材料達到1 ～100nm范圍時，會表現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存在差異，這種介于材料宏觀性能和分子性能之間的介關結構材料就是納米材料。納米材料由于尺寸的微小，可以達到很大的比表面積，從而表現出較高的表面活性，同時，還具有其他效應。

1、小尺寸效應

小尺寸效應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，材料的比表面積會增大，當尺寸足夠小，會形成巨大的比表面積，從而產生新的性質。最明顯的一個例子就是化學反應中反應物的接觸面積會因為比表面積的增大而增大，從而獲得較高的反應速率，表現出一種催化劑的性質。界面原子在外力作用下易發生遷移，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出交高的延展性，而部分材料的強度也會得到極大的提高。

2、量子效應

超微顆粒會將宏觀材料中連續的能帶分裂為分立能級，當熱能、電場能等比平均能級間距小時，就會表現出與宏觀材料不同的特性。如比熱容和電子的奇偶數相關、介電常數的變化等，同時納米材料還會表現出宏觀量子隧道效應。

3、體積效應

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

三、納米材料在混凝土中的應用

1、硅粉

硅粉又名微硅粉，學名硅灰，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，達到節約的目的。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，水化熱需要進行嚴格限定，因此，高強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70年代開始，挪威和瑞典等國家已經開始在港口和大壩的修建過程中采用硅粉混凝土，美國首先將硅粉混凝土應用在水壩的消力池建造上，效果良好，我國從上世紀80年代開始，陸續在泄水閘修補等工程中采用硅粉混凝土，取得了較好的效果。硅粉混凝土以其優良的性能，特別是高強度和高耐久性，以及提高早起強度和降低回彈量等性能備受關注。

值得注意的是，在采用硅粉混凝土時，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，較大的水灰比會嚴重降低混凝土強度。這也是早期硅粉混凝土未能得到及時推廣的原因之一。一般情況下，硅粉的摻加量過多會造成混凝土粘稠，施工和易性降低，而過少的添加量對混凝土的改性效果不明顯，根據施工規范，一般在10%以內為宜。必要時需要建立“強度——硅粉摻量”曲線，測定最佳硅粉摻加量。當需要較高的混凝土力學性能時，可以采取不變更水泥用量，對硅粉采取外摻法，這樣相當于變相增加了混凝土中的膠凝材料，會達到較好的效果。

2、CaCO3

相比于二氧化硅的高成本，碳酸鈣（CaCO3）的價格大約只有二氧化硅的十分之一，因此納米碳酸鈣在國內的應用更加廣泛，相關研究進行的也較多。從性能上看，碳酸鈣與二氧化硅的差別主要是對施工和易性的影響。硅粉需要配合減水劑使用，否則會造成粘稠度過高，不易振搗密實，而碳酸鈣對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度。

值得注意的是，碳酸鈣的摻加比例應該得到控制，過高的摻加量會造成水化硫鋁酸鈣和水化碳鋁酸鈣的增多，這兩者會造成混凝土的體積膨脹，從而破壞內部結構，降低強度。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配，從而獲得更好的密實程度和更高的強度。

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。可以通過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，從而阻斷酸性物質對內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，電磁屏蔽在減少外界電磁波對建筑內部用電設備干擾，保證高精以期正常工作方面也有突出作用。

3、環保混凝土

前文提到的納米TiO2用于混凝土中，可以進行空氣的凈化。主要是TiO2在紫外光的激發作用下產生較大點位，可以氧化有害氣體，從而達到凈化空氣的作用。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大氣的污染。

結語

作為材料科學與工程研究的前沿，納米材料的應用范圍之廣涵蓋了物理、化學、生物等多個領域。目前，納米材料在混凝土中的應用尚處在起步的探索階段。隨著經濟和社會的發展，人類對建筑材料必然會提出越來越多的要求。如何抓住納米科技發展的新契機，將傳統建筑材料和納米材料進行有機結合，進而創造高強、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。新科技和傳統材料的結合必將讓混凝土重新煥發青春！

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1007-6344（2015）10-0085-01