納米材料在混凝土中的應用概述

張 瑋，王正君*，王 晨，賈 峰，陶 冉

1.黑龍江大學寒區水利工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080

0 前言

混凝土是將膠凝材料和骨料膠結成復合固體，材料豐富，耐用，配合比可根據實際情況配制，形狀可定制，熱膨脹系數和鋼筋相似，可以整體澆筑。在設計混凝土施工時，通常需要考慮其和易性，使其便于施工。在混凝土的規定齡期內要滿足強度要求。其耐久性能，包括抗凍性能、抗滲性能、耐磨性能和抗介質侵蝕性能都需要滿足要求。

納米材料是新興材料，廣泛應用于各個領域。在混凝土中摻入納米材料可有效改善混凝土的各項性能。

1 概述

納米材料有著常規材料不具備的特殊性能，如高強度高韌性、高比熱和熱膨脹系數、異常的導電率和擴散率、高磁化率和電磁波的強吸收率。這些特殊性能就使得納米材料可以應用于很多領域，在多方面發揮特殊的性能，擁有非常廣闊的研究前景。由于納米材料的小尺寸而產生了四大效應：尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應和界面效應［1］。

2 混凝土的性能

2.1 力學性能

用混凝土抗壓強度作為其力學性能的總指標，混凝土的強度等級是以標準立方體試件（150mm×150mm×150mm）在標準條件下（20℃±3℃，濕度90%以上）養護28d 的抗壓強度指標［2］。影響混凝土強度的因素：（1）水泥強度大及水灰比小時，游離水少、結構密實、孔隙率小，混凝土的強度會高；（2）骨料的質量需要一些表面粗糙富有棱角的碎石；（3）養護條件要有適宜的溫度和濕度；（4）適宜的齡期。

2.2 耐久性能

混凝土的耐久性能主要有抗凍融，抗滲透，耐侵蝕和抗風化等。混凝土的和易性良好，水灰比小，澆搗密實，孔隙率低，裂縫少則外界物質侵入就會較困難，耐久性能會提高。

混凝土的抗凍性能按28d 齡期混凝土試件所能承受的凍融循環次數確定，F50，F100 表示混凝土可承受反復凍融次數為50 次和10 次。混凝土的抗滲性按28d 齡期試件不透水所承受的最大水壓來確定，抗滲等級劃分為P4，P6，P8，P10，P12，大于P12 等六個等級，相應表示能抵抗0.4、0.6、0.8、1.0 及1.2MPa的靜水壓力而不滲水。混凝土的耐化學侵蝕性能和抗碳化性能也很重要。混凝土的干縮是指毛細孔和膠凝體中水分蒸發和散失而引起的體積縮小，耐磨性是指其抗機械磨損的能力，與混凝土的強度有關。

3 納米粒子在混凝土中的應用

3.1 納米SiO2 在混凝土中的應用

黃征宇等［3］的研究發現，納米SiO2（NS）是一種非晶態物質，可與礦物粉末形成網絡交織狀骨架結構，其骨架結構中由致密產物所填實的二級界面顯微結構可以促進水泥的水化，提高水泥砂漿的早期強度。NS 的加入使得水泥漿體的致密性和均勻性都相應提高，使混凝土的和易性和流動性均變差，其抗折強度最高可達到32.5MPa，提高了40.7%。從流動性和強度指標考慮，其最佳摻量在0.5%～1%之間；NS 是目前大規模生產的一種納米粉體材料，其表面有大量不飽和Si-O 殘鍵和不同狀態下的羧基使得SiO2具有高反應活性［4］。

在溫度較低的區域，對混凝土的抗凍性要求會較高，而混凝土的抗凍性是影響混凝土耐久性能的一個重要因素，王寶民［5］的研究發現，混凝土中摻NS 僅有少部分表層漿體脫落，在與不摻NS 的對比試驗中相比較，其質量損失相對小。而凍融循環次數也相應提高，試驗結果證明了NS 的摻入對混凝土的抗凍性能有相應提升。另外，混凝土的抗滲性能和耐磨性能隨著NS 的摻加而提高，黃功學等［6］人的研究發現，對比不摻NS的混凝土相比，摻NS 的滲水高度下降率最高達61.8%，抗沖磨能力最高提升了30.3%。摻NS 對提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力也有很大提升，有效延緩了混凝土被硫酸鹽侵蝕的速率［7］。

3.2 納米CaCO3 在混凝土中的應用

納米CaCO3的粒度很小，表面能高，性能優于普通碳酸鈣。但由于其粒子表面羧基相互作用形成氫鍵而聚集，容易成團，故需要降低納米碳酸鈣的表面能來發揮它最大的效能。納米CaCO3（NC）的摻入使得混凝土不同齡期的強度逐步增強，且氯離子的滲透率下降［8］。NC 的加入提高了混凝土的早期強度，但對后期強度作用不明顯，但是若是摻入NC，NS，和硅粉的混合物，那么混凝土的后期強度也會大幅度提升［9］。但是NC的摻量也是影響混凝土強度的重要因素，混凝土的抗壓抗折強度會隨著摻量的增加而減小，其摻量在1.5%左右時，混凝土的抗壓抗折性能最好［10］。

摻入NC 也會提高混凝土在凍融后的強度，這是由于NC的加入使得混凝土內部空隙被填充，提高了混凝土的流動性，改善混凝土中水泥石與骨料的界面結構，使混凝土的強度提高，抗滲性能，耐久性能提高［11］。而NC 的晶核作用，在水化產物附近產生毛細孔，量也發生顯著變化，增大后提供了現成晶核使得水化硅酸鈣（CSH）在其表面生長，改變水泥水化反應的速度；同時CSH 凝膠的巨大表面能，很容易吸附其他離子，水泥顆粒表面就不會有厚厚的保護層，而阻礙水化的進程，水泥水化程度增加了，混凝土的性能相應提升［12］。

3.3 納米Al2O3 在混凝土中的應用

納米Al2O3氧化鋁在混凝土中形成硅酸鋁鈣凝膠（C-A-S）。納米氧化鋁與鋁酸鈣水合反應生成的Ca（OH）2反應，此反應速率和反應的表面積成正比。因此，添加納米氧化鋁可以改善混凝土性能，在平均粒徑為15mm 情況下，納米氧化鋁可替代水泥，最大粒徑不易超過2%。納米氧化鋁可以提高混凝土彈性模量，在摻量5%時達彈性模量可高達143%。納米氧化鋁摻入后混凝土的吸水率和氯離子滲透性下降，耐久性能提高。研究表明，摻氧化鋁使混凝土28d 的抗壓強度提高了4.03%，當氧化鋁含量從1%上升到3%時，強度從4.03%提高到8%，這與氧化鋁的高活性有關，它加速了水泥的水化，同時氧化鋁作為填料改善了混凝土的微觀結構從而減少了水泥漿體中較大空隙體積［13］。混凝土的性能也就相應得以提升。

摻入0.2%納米氧化鋁后，在準靜態荷載之下，強度和變形性能都顯著提高，抗壓強度提高了44.5%。動荷載作用時，納米氧化鋁混凝土的應變敏感度增加，隨著應變的增加，峰值應力隨之提升，極限應變的范圍擴大，變形能力提高。同時電鏡掃描的結果顯示，加入納米氧化鋁后，水泥密實度提高，混凝土界面過度區得以改善，強度和韌性提升［14］。

3.4 其他納米材料在混凝土中的應用

納米金屬氧化物如CoO、TiO2、ZnO 等，可以制成傳感器，如溫度傳感，紅外傳感和氧敏傳感器等。一般的制備方式是將納米金屬氧化物摻入混凝中，使其具有強導電性能和傳感作用結合，或是在混凝中插入納米金屬氧化物制成的傳感器，使混凝土具有傳感作用，適用于土工結構的長期監測，監控混凝土的開裂以及破壞情況及損傷評價和公路上車速及車重量的監測等［15］。

聚合物和無機納米復合材料在也可在混凝土中廣泛應用，此類材料的界面面積較大，會降低界面應力集中，消除了無機物與聚合物基體之間的熱膨脹系數不匹配的問題，可充分發揮無機物分子的力學性能，如高耐熱和聚合物可加工性，高強度，高韌性，熱穩定性和良好的導電性能［16］。

4 結論

隨著現代材料科學迅速發展，高強度、高性能、多功能和智能化已成為行業的基本要求。在混凝土領域，同樣需要突破，不僅僅是在工民建之中，在軍事方面也有涉及。納米材料的摻入大大提升了混凝土的性能，但納米材料制備工序復雜，成本較高。納米材料的摻入時難以達到均勻分散，是否會影響性能的提升，是需要進一步研究的問題。