納米材料在混凝土中的應用研究

謝 飛

(重慶交通大學材料科學與工程學院 重慶 400060)

一、引言

當今世界土建行業用途最廣的混凝土為大型基礎設施與城鎮建設的發展做出了卓越的貢獻。目前在機場、鐵路、隧道、核電站、公路、水電站、港口、海洋等重大工程項目方面建設量依舊是非常大的。對于傳統混凝土基體來說，為了有效適應現代大型基礎設施工程對高性能混凝土(HPC)高強增韌、高流動性、高耐久性的綜合需要，需要引入能改善水泥混凝土基體的微觀結構及功能性能的增韌補強組分，而性能優異的納米金屬氧化物及無機納米材料在水泥混凝土行業研究與應用已得到有效開展[2]。

二、納米材料的分類

(一)納米金屬(氧化物)

(1)作用機理：擁有巨大的比表面積及界面結構的納米金屬(氧化物)對外部環境特別敏感。我們就可以利用這些特性把納米金屬應用于電化學、氣體吸附、光催化等方面作為填充涂層材料，進而應用于某些特殊工程，譬如環保混凝土等。

(2)典型代表材料：

①納米TiO2：納米二氧化鈦具有良好的半導體及光催化特性，可噴涂在混凝土路面表層，進而可吸收空氣中的氮氧化物NOX、硫化物；涂覆在混凝土墻面，降解墻壁室內有機涂料中的甲醛。納米TiO2除了使混凝土擁有光催化功能，還能對混凝土的微觀結構、抗滲耐久性、耐磨耗等物理性能產生積極的影響。董素芳等研究表明，摻有納米TiO2的混凝土不僅擁有良好的抗滲耐久性，而且擁有較高的彎曲抗疲勞性能。唐洪波等研究表明，納米TiO2的摻入對于混凝土抗氯離子滲透性有明顯的提高作用，而且可極大的增強混凝土的耐磨耗性能，進而可發展成一種同時擁有可光催化降解汽車尾氣功能及表面耐磨耗能力強的現代混凝土路面。

②納米Al2O3：納米Al2O3作為活性填料填充到水泥混凝土中時，能充當水泥水化模板，使水泥水化的更充分，提高了混凝土的緊湊度，進而不僅可有效減少有害硬化混凝土孔隙結構，最終提升相應混凝土的機械力學性能。同時作為多孔性耐熱材料，有效改善鋁酸鹽水泥基體的體積熱容、熱導率和熱膨脹系數等儲熱性能，進而可有效用于太陽能熱發電系統中的儲熱環節。

(二)碳質納米材料(CNT)

(1)作用機理：由于CNT碳納米管是中空的管狀一維納米材料，與水泥水化產物C-S-H處于相近量級，同時超高的長徑比、超高比表面積及超強的力學韌性，在很少CNT摻量時就可有效彌補水泥混凝土材料多孔性收縮以及本征脆性缺陷。

(三)無機非金屬納米材料(SiO2)

作用機理：由于納米二氧化硅具有小尺寸效應，表面界面效應、量子尺寸效應和宏觀量子遂道效應和特殊光、電特性、高磁阻現象、非線性電阻現象以及在高溫下仍具的高強、高韌、穩定性好等奇異性，納米二氧化硅可廣泛應用各個領域。納米二氧化硅促進水泥水化，將水泥水化的早期產物Ca(OH)2轉變成水化硅酸鈣凝膠，火山灰活性大大提高，進而使界面過渡區Ca(OH)2晶體尺寸有效減小，使得混凝土微觀結構更加緊湊，相應的宏觀性能也得到有效改善。

三、納米材料對混凝土性能的影響

(一)納米材料對混凝土強度的影響

季韜、黃與舟等[10]在FC(粉煤灰混凝土)基礎上摻入0.5%的納米Si02。

(1)試驗工藝流程：先將高效減水劑與部分水攪拌均勻，然后將納米SiO2倒入，再攪拌均勻；納米SiO2不溶于水，但由于高效減水劑的分散作用，納米Si02基本上可溶于高效減水劑與水的混合體中。

(2)實驗結果：

當在粉煤灰混凝土中摻入0.5%的納米SiO2時，其7天的抗壓強度提高了9%，7天抗折強度提高了14%，28天抗壓強度提高了4%，28天抗折強度提高了8%。

(3)結論：①納米材料的摻加對混凝土強度有所提升；②納米材料對混凝土早期強度提升的更多；③納米材料對混凝土抗折強度提高的比抗壓多。

(二)納米材料對混凝土抗滲性的影響

陳竹[2]等通過摻加不同納米材料(分別為0kg，9kg，16kg，25kg)，分析納米材料能否改善混凝土內部孔隙構造，由此改善其抗滲性能。

(1)滲性能試驗采用快速氯離子滲透法(RCM)，圓柱體試件直徑為(10±1)mm，高度為(50±2)mm。

(2)實驗結果：納米SiO2的摻入到混凝土中可以明顯降低了混凝土的氯離子滲透系數。隨著摻量的增加，混凝土的氯離子滲透系數先提高后降低。

(3)結論：

①一方面由于納米SiO2的水化產物，另一方面是納米SiO2本身的填充效應，兩者填充了混凝土孔隙，并堵塞了混凝土內部的通道，降低了氯離子進入試件內部的可能性；②納米SiO2、水化硅酸鈣凝膠均對Cl離子有一定的吸附及固化作用。

上述兩方面的作用降低了混凝土內氯離子含量，提高了混凝土抗滲性能。

(三)納米材料對混凝土抗凍性的影響

余安明[1]等通過實驗形象表現了納米材料的摻加改善了混凝土的孔隙構造，提升了其抗凍性能。具體機理如下圖：

結論

納米碳酸鈣的晶核作用可以明顯降低氫氧化鈣在水泥基材料的界面上的定向排列和密集分布，有利于改善界面結構。同時通過改善細顆粒級配，可降低混凝土的孔隙率，提高抗凍性。