納米材料改性水泥基材料的研究應(yīng)用進(jìn)展

王立國，張樹鵬，李東旭

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,南京　210009)

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納米材料改性水泥基材料的研究應(yīng)用進(jìn)展

王立國，張樹鵬，李東旭

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,南京210009)

納米材料具有粒徑小、比表面積大、表面能高以及表面原子所占比例大等特點(diǎn)，納米材料應(yīng)用在水泥基材料中可改善其性能，因此納米材料在水泥基材料中的應(yīng)用成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本文綜述了近幾年國內(nèi)外對納米 SiO2、CaCO3、TiO2、Al2O3等幾種納米材料在水泥基材料中的應(yīng)用情況，結(jié)果表明:納米材料可以有效的改善水泥砂漿混凝土的力學(xué)性能、降低孔隙率、促進(jìn)其水化、提高耐久性能。并總結(jié)了納米材料的改性機(jī)理和當(dāng)前存在的一些急需解決的問題，提出了一些可行性建議。

納米 SiO2； 納米CaCO3； 水泥基材料； 改性

1　引　言

納米材料是指顆粒尺寸在1～100 nm 的超細(xì)顆粒[1]，介于塊狀物體與原子、分子之間的固體顆粒。納米材料因具有顆粒尺寸小、比表面積大和極高的表面能，從而使得納米材料具有許多不同于其他材料的特殊性質(zhì)，如：尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)[2,3]，這些特性使納米材料在更多領(lǐng)域(包括水泥基材料)有著廣泛的應(yīng)用前景。

20世紀(jì)90年代初英國科學(xué)家Taylor[4]對水泥的水化產(chǎn)物的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行過研究，水泥水化產(chǎn)物大部分是水化硅酸鈣凝膠(C-S-H凝膠)，占到了大約70%，其尺寸在納米級范圍。后來Richardson[5]、張效忠[6]等測試凝膠的比表面積大約為180 m2· g-1，經(jīng)推算C-S-H凝膠的平均尺寸在10 nm左右，由此可知水泥硬化漿體實(shí)際上是由C-S-H凝膠為主凝聚而成的初級納米材料[7]，因此，利用納米材料對水泥基材料進(jìn)行納米改性具有良好的基礎(chǔ)。從上世紀(jì)90年代開始，有專家和學(xué)者開始將納米材料添加到水泥砂漿和混凝土中，從納米尺度對水泥砂漿和混凝土進(jìn)行納米改性研究。納米材料加入到水泥砂漿和混凝土之后，不僅可以填充水泥顆粒間空隙，還可以促進(jìn)水泥的水化，改善水泥石與骨料的界面結(jié)構(gòu)，使得水泥混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性以及耐久性都得到了改善[8]。因此研究納米材料對水泥基材料的改性作用已引起國內(nèi)外許多學(xué)者的研究興趣。本文總結(jié)和歸納了幾種常見的納米材料在水泥基材料中應(yīng)用、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

2　納米材料在水泥基材料中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

2.1納米SiO2(NS)

由于NS火山灰活性可以和水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)生成化學(xué)鍵，形成C-S-H凝膠，降低Ca(OH)2含量和細(xì)化Ca(OH)2晶體尺寸的作用。從而改善水泥漿體的性能，因此研究較多，其所在水泥混凝土中所起的作用也得到了廣大學(xué)者的認(rèn)同。根據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)果，認(rèn)為在合適的摻量下NS可以提高水泥混凝土的強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度，改善耐久性能。

NS對于水泥混凝土的工作性能的影響，國內(nèi)外的專家和學(xué)者的研究結(jié)果雖略有差異，但均認(rèn)為NS的摻入會造成凝結(jié)時(shí)間縮短、流動度下降和需水量的增加。Kontoleontos等[9]研究已經(jīng)證實(shí)，在超細(xì)水泥中摻加 NS后砂漿流動度明顯降低，摻加1%的NS水泥漿的初終凝時(shí)間分別縮短了2.68%、3.54%。摻加2%和4%的NS，砂漿流動度降低了57.14%，終凝時(shí)間縮短了6.25%、12.5%，NS對水泥砂漿工作性能的影響明顯。 Senff[10]研究不同摻量的NS對水泥漿體在22 h內(nèi)的水化熱，結(jié)果表明，在4～7 h水泥水化峰值升高，位置前移反應(yīng)速率明顯加快，證明NS的摻加促進(jìn)了水泥漿體的水化。Collodetti等[11]通過對NS進(jìn)行表面改性然后摻入到水泥中來研究對水泥漿體水化性能的影響，試驗(yàn)表明改性NS的摻入使得水泥漿體水化反應(yīng)的誘導(dǎo)期增長，尤其是在摻入量為0.5%時(shí)的影響達(dá)到最大。Mukharjee[12]認(rèn)為NS細(xì)化了膠凝材料的細(xì)度，引起了吸水率的增加，而且，NS比表面積大，表面能高，存在大量的不飽和鍵，使水分子吸附在微粒表面與NS形成了Si-OH鍵，從而消耗掉大量的水，而NS 在水化反應(yīng)中又作為成核基點(diǎn)大大加速了膠凝材料的水化速率，因此縮短了凝結(jié)時(shí)間。Kong[13]也認(rèn)為NS對流動性的影響主要是由于NS具有比較大的比表面積和填充效應(yīng)引起的。

關(guān)于經(jīng)過NS改性的水泥漿體硬化后的性能，也有許多學(xué)者進(jìn)行了研究, 在水泥漿體中摻加NS對力學(xué)性能具有明顯影響，但學(xué)者所獲得的結(jié)果也有所不同的，這和水灰比、養(yǎng)護(hù)條件、混合方法、和納米離子的粒徑、火山灰類型、火山灰含量及摻合料等因素有關(guān)。Qing等[14]。研究了摻加0%, 1%, 2%, 3% 和 5%的NS 對水泥砂漿力學(xué)性能的影響，由于NS的火山灰活性會和水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2晶體發(fā)生反應(yīng)生成C-S-H凝膠，使得摻5%的NS的28 d抗壓強(qiáng)度增加了24.75%。Sadrmomtazi[15]摻加0%, 1%, 3%, 5%, 7%及 9%的NS,水灰比0.5，摻量7%時(shí)力學(xué)性能達(dá)到最佳。在含有聚丙烯纖維的混凝土中摻加NS抗壓和抗折強(qiáng)度是隨著NS摻量的增加而增加的[16]。王德志和孟云芳[17]研究了NS對混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明摻加3%NS時(shí)，可以在早期加速混凝土水化進(jìn)程并促使在二次水化形成C-S-H凝膠，從而提高混凝土的抗壓和抗劈裂性能。Nazari[18]在SCC中加入NS，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NS提高了SCC的抗折強(qiáng)度，但是在摻量大于4%時(shí)，抗折強(qiáng)度卻下降，研究者認(rèn)為納米顆粒摻量過大導(dǎo)致分散不均勻，因此NS摻量不宜過大。NS的摻入將會對水泥漿體的微觀形貌及孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，這些影響將會進(jìn)一步影響到水泥砂漿和混凝土的耐久性能。李固華等[19]對摻入不同量的NS的C-S-H凝膠進(jìn)行SEM分析，發(fā)現(xiàn)隨著NS增加，混凝土試樣中的孔隙減少，界面上結(jié)晶完好的CH明顯減少，說明NS消耗CH并使晶粒得到細(xì)化，水化產(chǎn)物增多，微觀結(jié)構(gòu)變得更為致密，進(jìn)而提高了力學(xué)性能以及耐久性。還有一些學(xué)者通過快速氯離子滲透試驗(yàn)來研究NS對水泥混凝土耐久性的影響，如Said等[20]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NS能夠顯著減少氯離子的滲透深度，因此可以有效的減少氯離子對鋼筋的侵蝕從而有效提高耐久性。這也是因?yàn)榛炷量捉Y(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步細(xì)化的結(jié)果。眾多研究者的試驗(yàn)研究在一定程度上揭示了NS使得膠凝材料性能發(fā)生改變的機(jī)理。NS尺寸達(dá)到100 nm以下，且表面存在不飽和的化學(xué)鍵，這種具有大比表面積以及極大的表面能的性質(zhì)使得它具有相當(dāng)高的火山灰活性。正是火山灰活性的因素使得它能夠提高膠凝材料的早期強(qiáng)度。陳榮升[21]、錢匡亮[22]等都認(rèn)為這種高的火山灰活性能夠有效的吸收CH并且降低CH的取向程度，能夠細(xì)化晶粒，使得結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。納米顆粒的尺寸與C-S-H凝膠尺寸的吻合也使得它能夠發(fā)揮填充作用，填充水泥漿體內(nèi)部的孔隙，這種填充作用也有效的提高了膠凝材料的耐久性。

雖然對于NS 研究已經(jīng)很多，但在應(yīng)用中由于加入NS引起的高吸水率不得不使用外加劑，上述大部分實(shí)驗(yàn)都是在添加高效減水劑的情況下進(jìn)行的，也就造成了強(qiáng)度的提高是由于減水劑和NS 雙重作用的效果。而對于減水劑和NS的相互作用在國內(nèi)外的研究中相對較少，另外NS的價(jià)格相對較高，NS分散不均問題較為突出，急需探討新的分散方法，因此還不適用于大批量的水泥混凝土生產(chǎn)。

2.2納米CaCO3(NC)

NC在橡膠、造紙、塑料等行業(yè)應(yīng)用的較為廣泛,在水泥混凝土中的應(yīng)用仍在探索，NC最大的優(yōu)勢在于價(jià)格低廉，并且經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)NC高化學(xué)活性可以和水泥熟料中的C3A發(fā)生反應(yīng)生成碳鋁酸鈣，促進(jìn)水泥的水化，這為NC應(yīng)用到水泥混凝土中提供了可能性。

Kawashima等[23].研究了將30%FA復(fù)合5%NC的水泥漿體的1 d、3 d、7 d的抗壓強(qiáng)度,研究結(jié)果表明通過超聲波分散后，抗壓強(qiáng)度隨著NC的增加而增加。Camiletti[24]認(rèn)為NC在混凝土中不僅僅是代替水泥的作用，同時(shí)在水泥水化過程起到了填充混凝土中的空隙的作用 ，從而改善了混凝土性能。錢匡亮[25]實(shí)驗(yàn)也表明，添加1%NC時(shí)可以明顯提高水泥砂漿的強(qiáng)度，但當(dāng)摻量增加時(shí)早期強(qiáng)度出現(xiàn)下降，28 d強(qiáng)度出現(xiàn)小幅增長。劉立軍[26]研究了不同摻量的NC對新拌混凝土不同齡期力學(xué)性能的影響也發(fā)現(xiàn)，納米碳酸鈣的摻量在1.5%左右時(shí)，混凝土的7 d、28 d強(qiáng)度都有一定提高，特別是早期強(qiáng)度提升明顯，但隨摻量的增加，混凝土7 d、28 d強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢。由此可以看出，NC最早期強(qiáng)度提升明顯，但對后期強(qiáng)度影響不大甚至出現(xiàn)倒縮現(xiàn)象。

關(guān)于 NC可以提高水泥混凝土強(qiáng)度的機(jī)理分析，一般認(rèn)為NC在水泥水化過程中參與了水化反應(yīng)并改善了水泥石界面結(jié)構(gòu)[27]。 水泥的水化產(chǎn)物為C3A · CaX· H10-12、 C3A3CaX· H30-32[28]，根據(jù)水化產(chǎn)物可假設(shè)納米CaCO3參與水泥水化的反應(yīng)方程式:

CaCO3+12H2O + 3CaO· Al2O3→3 CaO· Al2O3· CaCO3· 12H2O

(1)

3CaCO3+ 31H2O + 3CaO· Al2O3→3 CaO· Al2O3· 3 CaCO3· 31 H2O

(2)

肖佳等[29]通過微觀測試分析發(fā)現(xiàn)未摻加NC和摻加NC的水泥漿體的水化產(chǎn)物一樣，沒有新的水化產(chǎn)物生成，NC的摻入使C3S水化的第一放熱峰增高、變窄、前移，證實(shí)了NC促進(jìn)了C3S的水化放熱速率。李悅等[30]把C3A和化學(xué)純CaCO3以物質(zhì)量1∶3和1∶1混合，水化到一定齡期進(jìn)行XRD測試分析，反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣(CaO · 3Al2O3· CaCO3· 11H2O)。KaKali等[31]分別將10%、20%、35%的CaCO3摻入C3A中，得到水化產(chǎn)物中有Ca4A12O6·CO3·11H2O、 Ca4A12O6·(CO3)0.5(OH) ·11H2O ，以上研究證明NC參與了水泥水化，對水泥水化起到了促進(jìn)作用。

填充效應(yīng)、納米表面效應(yīng)、微晶核效應(yīng)等幾個(gè)方面也起到了重要作用。水泥硬化漿體的力學(xué)性能的提高與Ca(OH)2顆粒細(xì)化密不可分，在水泥水化的早期表現(xiàn)尤甚，水泥加速水化形成大量水化產(chǎn)物。NC的加入填充水泥顆粒與界面形成的空隙，使膠凝材料的顆粒級配更加合理，水泥硬化漿體的孔隙率降低密實(shí)度增加。NC粒子在水泥水化過程中起到了晶核作用，充當(dāng)AFt、AFm和C-S-H的成核基體，吸收水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2，降低了成核位壘，加速了水泥的水化速率NC有更大的比表面積和活性，與水泥中的C3A和C4AF發(fā)生反應(yīng)的可能性更大，生成水化碳鋁酸鈣， Detwiler和Tennis[32]的研究證實(shí)石灰石粉顆粒在水泥水化中會成為成核的場所，顯著增加了C-S-H凝膠生長在石灰石粉顆粒上的概率，促進(jìn)了水泥漿體中C3S的水化速率，從而使C-S-H和Ca(OH)2等主要產(chǎn)物的表面上長滿了水化碳鋁酸鈣顆粒，界面性質(zhì)得到改善，從而使得水泥混凝土的性能得到提高。摻入NC后，水泥基材料的早期力學(xué)性能會提高，但是后期強(qiáng)度增幅較小甚至產(chǎn)生倒縮[33,34]是其弊端，后期NC對水泥混凝土作用的機(jī)理研究不夠充分，后期強(qiáng)度倒縮問題是現(xiàn)在急需解決的問題。

2.3納米TiO2(NT)

NT 是一種n型半導(dǎo)體材料，具有穩(wěn)定性好，催化性能高，對人體無毒害等優(yōu)勢。如果將NT添加到水泥混凝土中仍具有良好的催化性能，在增強(qiáng)水泥混凝土性能的同時(shí)又可以催化分解廢氣污染物，那對于水泥混凝土的保護(hù)和人類的健康將大有益處。因此很多學(xué)者進(jìn)行了研究。

NT 在水泥混凝土中最主要的作用是光催化作用，NT主要用來制作自潔凈環(huán)保型水泥混凝土，路面可用來吸收汽車產(chǎn)生的氮氧化物，墻體降低室內(nèi)甲醛含量[27]。Poon等[35]研究復(fù)摻NT水泥混凝土對NO催化作用大小的影響因素。他們將NT加入到混凝土路面中，發(fā)現(xiàn)其對NO催化作用大小取決于混凝土路面的孔隙率，孔隙率越大，光催化效果越好。TiO2的光催化性能在日本已經(jīng)得到證實(shí)，將摻加TiO2的混凝土作為路面材料，可以促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行，將更多地有毒空氣污染物轉(zhuǎn)化為少毒形式的化合物(如NOX轉(zhuǎn)化為HNO3)[36]。NT 的催化機(jī)理[37]是位于價(jià)帶的電子發(fā)后躍遷至導(dǎo)帶形成“電子-空穴”結(jié)構(gòu)，利用電子和空位的氧化性和還原性結(jié)合其表面的水和氧氣形成 O2-和 OH-再跟空氣中的 NOx和硫化物發(fā)生反應(yīng)。

對于NT對水泥混凝土力學(xué)性能的影響，一些學(xué)者進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Essawy[38]發(fā)現(xiàn)摻加5%的NT 后水泥漿體的抗壓強(qiáng)度只增加了5%。Noorvand[39]摻加2%的NT測得28 d的抗壓強(qiáng)度基本沒有變化。有文獻(xiàn)研究甚至發(fā)現(xiàn)摻加NT 后出現(xiàn)了強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，Meng等[40]研究表明NT的高比表面積會明顯降低水泥漿體流動性，摻加5%和10% NT的1 d抗壓強(qiáng)度分別提高了46%、47%，但28 d抗壓強(qiáng)度分別下降了6%、9%，Meng認(rèn)為NT的化學(xué)活性能夠降低水泥漿體早期Ca(OH)2的生成量和晶向指數(shù)，但是在后期Ca(OH)2的生成量和晶向指數(shù)均出現(xiàn)增加，導(dǎo)致了強(qiáng)度的下降。實(shí)驗(yàn)證明強(qiáng)度的下降和Ca(OH)2的晶向指數(shù)是有一定關(guān)系的，而不是因?yàn)楫a(chǎn)生了新的水化產(chǎn)物造成的。Zhang等[41]也認(rèn)為NT添加后由于納米粒子尺寸小，比表面積大引起大的吸水率導(dǎo)致大的需水量，NT在水泥水化中起到成核的作用，促進(jìn)了水化，縮短了凝結(jié)時(shí)間。NT 使抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)是由于細(xì)化了空隙結(jié)構(gòu)，加速了水化引起的。Shekari等[42]研究了NT對混凝土力學(xué)和耐久性的影響，發(fā)現(xiàn)1.5%的NT可以使混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低了35%，NT的添加有利于混凝土耐久性能的提升。

2.4納米Al2O3( NA)

近幾年研究發(fā)現(xiàn)，NA對水泥基材料的彈性模量有很大提升，但對強(qiáng)度的影響并不是特別明顯。NA 作為填充料填充到混凝土中，可以有效減少有害孔隙結(jié)構(gòu)，NA對混凝土的孔結(jié)構(gòu)改善作用非常顯著，能夠使混凝土結(jié)構(gòu)更加緊湊。研究[43]顯示，NA 摻加到混凝土中，參與了水泥的水化過程，能夠提高混凝土的機(jī)械性能和物理性能；Li等[44]研究摻加NA后水泥漿體的早期強(qiáng)度提升明顯，后期強(qiáng)度基本沒有變化，但摻加5%的NA在28 d的彈性模量增加了143%，當(dāng)摻量超過5%時(shí)，彈性模量又有一個(gè)下降的過程；他認(rèn)為是NA的加入使界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)變得致密，從而提高了水泥砂漿的彈性模量。當(dāng)摻量超過5%時(shí)，由于摻量增大，導(dǎo)致顆粒分散不均使?jié){體致密化程度下降，致使彈性模量降低。Nazari等[45]摻加1% NA后7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別增加了14.0%、16.7%；主要是NA的填料效應(yīng)造成的。Arefi等[46]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)實(shí)驗(yàn)摻量小于3%時(shí)，NA可以抑制Ca(OH)2大晶體的生長并且是整體結(jié)構(gòu)更加致密從而增加強(qiáng)度。Shadi[47]還研究了NA摻量為0%、1%、2%、3%、4%水化70 h的水化熱，摻加NA后發(fā)現(xiàn)明顯加快了放熱峰的時(shí)間，說明促進(jìn)了水化。

NA在水泥基材料中的改性研究還是相對較少，而且以現(xiàn)在的制備工藝制備大量的NA成本較高，還不適宜用在大規(guī)模的普通工程上。

2.5其他納米材料

納米煅燒黏土不僅可以作為填料來改善微觀結(jié)構(gòu)而且還能促進(jìn)火山灰反應(yīng)，納米黏土對水泥砂漿的抗酸性具有一定的提高，主要是由于其填料效應(yīng)和火山灰反應(yīng)活性。納米CuO不僅具有光催化作用，還具有抑菌抵抗腐蝕的作用，在混凝土管道表面涂上納米CuO[48]可有使混凝土產(chǎn)生抑菌性能，能夠減少因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患 。對于這方面國內(nèi)外研究還較少，機(jī)理方面不是特別清晰，有待于進(jìn)一步研究。納米ZnO2可以促進(jìn)水化產(chǎn)物的生成，顯著提高水泥混凝土的力學(xué)性能，但是會減少新拌漿體的凝結(jié)時(shí)間，加入減水劑之后會有改善。納米Cr2O3在混凝土中的研究也非常少見，它在水泥基材料中主要起到了填充作用 ，改善了孔隙率。水化過程中納米Cr2O3能夠加速水泥的水化，形成了一個(gè)緊湊型的水化結(jié)構(gòu)，減少 Ca(OH)2晶體的含量，增加 C-S-H凝膠含量[49]，因此，摻入適合量的納米Cr2O3能夠提高混凝土的強(qiáng)度。碳納米管是中空的管狀通道與水泥有很好的相互影響作用，其高縱橫比和高彈性模量可以在裂紋處承擔(dān)部分應(yīng)力，增強(qiáng)應(yīng)力傳遞。碳納米管能夠提高水泥基材料的機(jī)械性能，如抗壓抗拉性能 、抵抗裂紋擴(kuò)展、電磁屏蔽和自感應(yīng)等性能等[50]。碳納米管對于硅酸鹽材料作用很大，它恰好因其高縱橫比彌補(bǔ)了硅酸鹽材料的脆性，應(yīng)用于橋梁，可以減少因無征兆的突然斷裂[51,52]而損失大量財(cái)產(chǎn)。

3　納米材料改性水泥基材料中存在問題及解決措施

綜上所述，納米材料的改性作用可以歸納為以下幾點(diǎn):(1)納米顆粒可以填補(bǔ)水泥顆粒之間的空隙，改善體系的顆粒級配，固定自由水(填料效應(yīng))，改善抗?jié)B性，提高強(qiáng)度和耐久性;(2)許多納米材料具有成核效應(yīng)，可以使水化產(chǎn)物更好的分散從而提高水泥混凝土的力學(xué)性能，在該過程中，以納米材料為核心，水泥水化產(chǎn)物分散并將其包裹在其中，形成一個(gè)更加密實(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加速水化，提高早期性能；(3)促成小尺寸晶體(如氫氧化鈣和AFm)和小尺寸的C-S-H集團(tuán)簇的形成；(4)納米材料還可以改善界面過渡區(qū)(ITZ)得結(jié)構(gòu)，從而使得骨料和水泥更好的結(jié)合；(5)納米顆粒提供裂紋抑制和滑移面間的連鎖效應(yīng)，從而改善水泥混凝土的硬度及力學(xué)性能。

然而納米材料在改善水泥混凝土性能的同時(shí)，仍有一些關(guān)鍵問題急需解決和研究： (1) 納米材料增大水泥砂漿和混凝土的用水量: 由于納米材料顆粒較細(xì)，因此，其摻加到水泥砂漿和混凝土中往往會增加用水量，而用水量的增加勢必又造成強(qiáng)度的降低，因此需要添加減水劑，而減水劑又會對水泥砂漿混凝土產(chǎn)生一定影響，減水劑與納米材料對水泥砂漿混凝土的影響的相互作用關(guān)系需要進(jìn)一步研究；(2) 納米材料在使用過程中的分散問題: 納米材料具有較高的表面活性導(dǎo)致其顆粒容易團(tuán)聚，參差不齊的分散劑與納米顆粒的適應(yīng)性成問題。需要更深入的研究分散機(jī)理；分散過的納米材料相對于同種未經(jīng)分散的納米材料會使水泥混凝土部分性能表現(xiàn)的更好，即使納米材料在水泥砂漿和混凝土中分散均勻，如何在加入水后使其不與水泥砂漿和混凝土產(chǎn)生離散性也尚待改善；(3)部分納米材料的摻加對早期力學(xué)性能提升明顯，但對于后期力學(xué)性能影響不大，甚至出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮問題，而且機(jī)理分析不夠充分，并缺乏相應(yīng)的解決措施； (4)納米材料對水泥砂漿混凝土性能的雙重影響: 適宜摻加一定量的納米材料確實(shí)可改善某一性能，但同時(shí)又降低混凝土另一性能，因此，如何控制好雙方的平衡，是納米材料在使用過程中需要注意的問題；(5)無論水泥混凝土中孔隙率何時(shí)降低，當(dāng)暴露在高溫條件下時(shí)，由于高孔隙壓力和高抗?jié)B透性的原因，高強(qiáng)混凝土中可能會出現(xiàn)強(qiáng)度損失大和水泥開裂剝落等不利現(xiàn)象，對于散熱問題是一個(gè)潛在問題；(6) 高昂的成本依然是制約納米材料改性水泥進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用的最突出問題，急需進(jìn)行工藝升級，降低制備成本。

4　結(jié)　論

綜上所述，幾種常見的納米材料對水泥基材料的改性主要表現(xiàn)在對力學(xué)性能的提升，尤其是早期力學(xué)性能，降低孔隙率，促進(jìn)水化，提高耐久性。大部分研究雖然處于探索階段，受很多因素的制約，還無法大批量的應(yīng)用到工程建設(shè)中，但是其在水泥混凝土中所表現(xiàn)出的優(yōu)異的性能，使我們看到了希望，隨著納米材料制備技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，納米材料的使用正在實(shí)現(xiàn)親民化。目前，計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)[53]、X射線衍射圖譜精修技術(shù)[54]、 納米壓痕技術(shù)[55]等分析技術(shù)的應(yīng)用逐漸成熟，應(yīng)充分利用這些先進(jìn)分析方法， 系統(tǒng)完善納米材料在水泥混凝土中的微觀機(jī)理分析，對納米材料對水泥混凝土的影響開展研究工作。

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Research Progress in Effect of Nanomaterials on the Performance of Cement Based Materials

WANGLi-guo,ZHANGShu-peng,LIDong-xu

(Nanjing University of Technology,College of Materials Science and Engineering,Nanjing 210009,China)

Nanometer material has small size, large specific surface area, high surface energy and surface atoms great proportions, the properties of cement will be improved when nanometer materials are used in cement based materials, so the research of nanometer material becomes a hot topic in the cement based materials. This article reviews the use of some nanometer materials，such as nanometer SiO2、CaCO3、TiO2、Al2O3in cement based materials，Results indicated that the Nano-materials can effectively improve the mechanical properties of concrete, cement mortar decrease porosity, improve its hydration, durable performance. The modification mechanism of nanometer materials and the Existing some problems needed to resolve are summarized and we put forward some Simple solution to the problem.

nano-SiO2;nano-CaCO3;cement-based material;modification

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2015AA034701)

王立國(1990-)，男，碩士研究生.主要從事納米改性水泥基膠凝材料方面的研究.

李東旭，教授，博士生導(dǎo)師.

TQ172

A

1001-1625(2016)07-2128-07