納米材料對混凝土性能的影響分析

孫瑞平

(山西工程技術學院，陽泉 045000)

納米材料對混凝土性能的影響分析

孫瑞平

(山西工程技術學院，陽泉 045000)

介紹了納米SiO2、CaCO3、TiO2、納米碳纖維等納米材料在混凝土方面的應用，分析了它們對混凝土性能的影響，并預測了未來納米混凝土的研究趨勢。認為：在混凝土中摻入適量的納米材料，其細微顆粒可以填充到水泥的孔隙中，提高了混凝土的密實度，從而改善了混凝土的力學性能和耐久性。

納米材料； 混凝土； 力學性能； 耐久性

混凝土是現代建筑結構的主要材料，具有承載力強、易成型、可與鋼筋增強等優點，但普通混凝土剛性過大而柔性不足，以及混凝土本身固有的結構缺陷，使其在使用過程中不可避免產生開裂、破壞，限制了它在許多領域中的應用。納米技術的出現為混凝土性能的發展提供了新途徑。

1 納米材料概述

納米材料是通過對普通材料在納米尺度(1～100 nm)人工的設計和結構控制，獲得具有全新優異物理化學性能的一種新型材料。1990年7月在美國巴爾的摩召開第一屆國際納米科技會議和第五屆國際掃描隧道顯微鏡學術會議，標志著納米科技的正式誕生。從此，日本和歐洲各國先后將納米研究作為國家優先發展的重點項目，投入巨額資金，成立納米研究中心。隨后，我國也啟動了一系列重大科研計劃，中科院組織了中國科技大學等單位積極投入納米科學和技術的研究，取得了許多矚目的世界成果。1998年清華大學范守善小組在國際上首次制備出直徑只有3～50 nm、長度達微米級的半導體一維納米棒，中科院物理所解思深小組合成了目前世界上直徑最小的“超纖維”納米碳管，標志著我國在納米領域的研究進入了一個嶄新的階段[1]。納米科技作為21世紀最重要的材料和技術之一，無疑將對建筑材料乃至整個土木工程領域產生巨大影響。

2 納米材料在混凝土中的應用

2.1 納米SiO2在混凝土中的應用

納米SiO2是研究相對較多的粉體材料，是一種無定形物質，其粒徑僅為20 nm左右，已經廣泛用于改性涂料、抗紫外劑、塑料添加劑、橡膠制品、顏料、陶瓷等領域。在水泥混凝土領域，由于其具有極強的火山灰活性、微集料填充效應和晶核作用，可以增加混凝土的強度和耐久性。

2.2 納米CaCO3在混凝土中的應用

納米CaCO3是一種惰性顆粒、活性低，具有價格優勢的礦物微粉材料，其成本約為納米SiO2的十分之一，多用于橡膠、塑料和涂料等行業。由于其微小的顆粒尺寸，納米CaCO3表面原子數、表面積、表面能都迅速增加，從而具有與普通粒子不同的特性[2]。目前主要對將納米CaCO3摻入混凝土中，對其力學性能、水化性能產生的影響進行分析。

2.3 納米金屬氧化物在混凝土中的應用

銳鈦型納米TiO2具有凈化空氣、殺菌、表面自潔等特征[3]，它可以改善混凝土的相關性能。利用納米TiO2能凈化空氣，可以制備出能夠分解甚至去除機動車輛尾氣中含有的對人體有害的SO2等污染氣體的混凝土，這主要是因為它是一種優良的光催化劑，加入混凝土中能夠使其與機動車排出的尾氣發生光催化反應，從而起到凈化空氣的作用。另外，還可以制成具有電磁屏蔽作用、傳感作用等一系列智能混凝土，這類智能型混凝土可以用于控制混凝土結構的開裂，監測破損狀況，評價損傷等。

2.4 碳納米管在混凝土中的應用

碳納米管呈管狀，徑向尺寸較小，管的外徑一般在幾納米到幾十納米；管的內徑更小，有的只有1納米左右，而長度一般在微米量級，長徑比非常大，屬于很好的高強度纖維材料。將適量的碳納米管摻入水泥當中，可有效改善材料的孔結構和微裂紋，并起到橋聯作用，從而提高水泥基材的力學性能[4]。

2.5 納米碳纖維在混凝土中的應用

設計意圖 幫助學生對本節課所學的知識、技能、方法有一個系統全面的認識，從而更好地掌握知識技能，體會數學思想方法，逐步學會學習，提升學習能力.

納米碳纖維(Carbon nanofibers，CNFs)是由層狀結構的石墨片卷曲而形成的呈現纖維狀的新型的納米碳材料，它的直徑為50～400 nm，長徑比為100～1 000，是介于碳納米管和常規碳纖維之間僅有的纖維碳材料，它除具備普通碳纖維的一些優質特點以外，還表現出自身獨立的一些優質特征，比如長徑比大、比表面積大、結構致密等[5]。與碳納米管相比，它的成本比較小，而且在產量上有很大的優勢，從而使它在復合性材料、催化劑載體等方面得到了廣泛的應用。

3 納米材料對混凝土性能的影響

3.1 納米材料對混凝土強度的影響

混凝土的強度是材料抵抗外力作用而不破壞的能力，是混凝土進行設計和質量控制過程中的重要控制因素之一。通常情況下，水膠比越大，混凝土凝結硬化后形成的孔隙越多，內部結構越疏松，混凝土的強度就會受到影響。

王寶明[6]在一定程度上研究了納米SiO2對混凝土所起的增強作用效果，結果表明：對于不同水膠比的混凝土，摻加不同摻量的納米SiO2后均能不同程度地提高混凝土的早期和后期抗壓強度(早期比后期增強效果顯著)。可能的原因是水化反應初期，具有高活性的SiO2能夠較快地與水泥的水化產物Ca(OH)2發生二次反應生成具有強度的水化硅酸鈣凝膠，從而提高混凝土早期抗壓強度。隨著水化反應的不斷進行，當混凝土內部相對濕度降到某個臨界值時，水化反應就會停止。由于納米SiO2的比表面積非常大，與水拌合后吸附的表層水數量很大，這會使得參與水化的水的數量減少，從而導致后期強度增長不明顯。

祖天鈺認為[7]，在超高性能混凝土中摻入納米碳酸鈣，可以提高UHPC的抗壓強度，顯著提高其抗折強度。分析其原因可能是摻入納米CaCO3后，C-S-H凝膠以納米CaCO3為晶核，在納米CaCO3表面產生鍵合，從而使水化硅酸鈣凝膠形成以納米CaCO3為核心的網狀結構，使混凝土結構內部更為密實。摻入少量的納米CaCO3顆粒可以明顯降低Ca(OH)2在基體界面處的定向排列和密集分布。從物理角度來說，納米CaCO3能起到微集料作用，填充在水泥和其他礦物微粉的顆粒之間，提高其堆積密實度，減小孔隙率，降低UHPC的內部缺陷，提高了UHPC的力學性能。

3.2 納米材料對混凝土工作性的影響

混凝土良好的工作性要求有好的流動性，能填充密布的鋼筋間隙和模板角落；良好的粘聚性以利于在運輸、澆筑、振搗、養護過程中不發生分層、離析現象；還要求具備良好的保水性，不泌水。

3.3 納米材料對混凝土耐久性的影響

3.3.1 納米SiO2對混凝土抗滲性的影響

混凝土抗滲性能低，會導致一些攜帶有害離子的水分通過混凝土的孔隙進入內部，對其造成腐蝕，鋼筋銹蝕。

李固華[9]的研究表明：在各齡期，納米SiO2均能提高混凝土抗氯離子滲透性。早期效果較顯著，后期效果有所降低。同時，氯離子的滲透性隨著納米SiO2摻量的提高而降低，摻量3%效果最好。原因可能是由于水泥漿中連通孔隙以及水泥漿與骨料間界面內連通孔隙的減少致使混凝土的抗滲性提高。

3.3.2 納米SiO2和納米TiO2對混凝土碳化深度的影響

混凝土的碳化導致PH值降低，鋼筋失去堿性保護而銹蝕。王黎明等[10]分別測試兩種不同劑量混凝土的碳化深度，試驗結果發現：隨著齡期的延長，納米混凝土的碳化深度不斷增加，且納米材料混凝土的碳化深度均小于普通基準混凝土。納米材料添加在混凝土中，可以填充水泥水化產生的孔隙，降低CO2的擴散，提高了混凝土的抗碳化性能。

3.3.3 納米SiO2對混凝土抗凍性的影響

當氣溫在-4 ℃以下時，在飽和水情況下，混凝土易發生凍融循環破壞，嚴重影響其耐久性能。混凝土受凍破壞的主要形式有兩種：表面剝落與內部開裂。納米材料可改善混凝土的微孔結構，提高其密實度，有利于提高混凝土的抗凍性能。文獻[6,11]表明：高強高性能混凝土在凍融循環破壞時，其質量損失非常小，僅有少部分表層漿體剝落，最大損失不超過0.5%。最大凍融次數前各循環時間點摻入納米二氧化硅(NS)的混凝土抗凍耐久性系數均比不摻NS的有所提高。

3.4 納米碳纖維對混凝土抗沖磨的影響

混凝土的磨損機理表明，由于混凝土的表面受到高速含砂水流的磨擦、切削和沖擊，使其慢慢地被磨損、沖蝕，最終導致了混凝土的破壞、失效。當納米碳纖維摻入到混凝土中時，因為納米碳纖維具備的增強、增韌等效應，其互相搭接，使得混凝土內部的支撐系統呈現出無序且不均勻分布的狀態，從而抑制了沖磨破壞而導致的微裂縫的進一步延伸。與此同時，纖維也在一定程度上制約著混凝土碎裂剝落現象的產生，阻礙了其內部微裂紋的生成與延展，混凝土膠體發生破損、碎裂的進程也受到了限定，加之納米碳纖維的彈性模量比較大，從而對硬化以后的混凝土在受到沖刷的過程中發生破壞而形成的微裂紋的擴散、貫通等起到了很好的抑制作用，加強了內部粗細集料的磨損性能，降低由于沖擊波被堵塞而導致的局部應力的集中程度，增加了劈裂強度，有效地改善高強混凝土的脆性，并且當混凝土喪失連續性時，還可避免由此產生的整體性損傷，由此增強了它的抗沖耐磨性[12]。

4 結 語

摻入納米材料后混凝土的強度及耐久性等性能有了明顯的改善，然而由于納米材料的價格昂貴，極大地限制了它們在混凝土中的應用，需要進一步探索納米混凝土的制備工藝以降低成本。另外，納米粒子在水泥中容易團聚，在一定程度上限制了混凝土強度的提高，因此，改善其分散性，使其在混凝土中均勻分散以獲得更高的性能是納米混凝土應用基礎研究中的一個重大課題。

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[2] Li Hui，Xiao Huigang．Microstructure of Cement Mortar with Nano-particles．Composites Part B：Engineering，2004，35(2)：185-189.

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[4] 馬 穎，王 丹，王 晴. 多壁碳納米管水泥基復合材料的制備與力學性能研究[J].混凝土，2014(6):72-77.

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[6] 王寶民.納米SiO2高性能混凝土性能及機理研究[D].大連:大連理工大學，2009.

[7] 祖天鈺.納米碳酸鈣對超高性能混凝土影響的研究[D].湖南:湖南大學，2013.

[8] 候學彪，黃 丹，王 委. 摻納米SiO2高性能混凝土研究進展[J].混凝土，2013(3): 5-9.

[9] 李固華.納米材料對混凝土耐久性的影響[D].成都:西南交通大學，2006.

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[11]張茂華.納米路面混凝土的全壽命性能[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2007.

[12]陳 嫻.納米碳纖維高強混凝土抗腐蝕性能試驗研究[D].寧夏:寧夏大學，2014.

聲 明

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本刊編輯部

Effects of Nano-Materials on Properties of Concretes

SUN Rui-ping

(College of Shanxi Engineering and Technology，Yangquan 045000，China)

The applications of nano-materials such as nano-SiO2、nano-CaCO3,、nano-TiO2and Carbon nanofibers in the aspect of concrete were introduced and their effects on the performance of concrete were analyzed. The further research trends of nano-concrete are predicted. It is found that the proper addition of nano-materials can increase compactness of concrete because the tiny particles can be well filled into the cement pore. Therefore the mechanical properties and durability of concrete are improved.

Nano-materials; concrete; mechanical properties; durability

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.002

2014-12-09.

孫瑞平(1979-)，講師.E-mail:srp2005-2-12@163.com