基于納米技術(shù)增強的土木工程復合材料性能研究

摘 要：隨著納米科技飛速發(fā)展，其在土木工程方面的應(yīng)用也變得越來越廣泛。由于納米材料所具備的獨有的物理、化學及生物屬性，它為土木工程復合材料帶來了一條創(chuàng)新的性能升級路徑。在土木工程中，納米技術(shù)的主要應(yīng)用表現(xiàn)在對水泥基材料進行特殊改良。通過向水泥混凝土中混入納米顆粒，例如氧化硅粒子、氧化鋁粒子和二氧化鈦粒子，有助于明顯提升其機械性質(zhì)。這種納米粒子可以通過化學反應(yīng)與物理效應(yīng)來推動水泥硬化，從而縮減硬化過程的時間并提升工作效益。此外，納米粒子的引入可以顯著提高水泥粒子間的黏合力，這樣也能有效增強混凝土的強度、耐壓迫特性和持久性。除此之外，納米技術(shù)還能為混凝土提供微空間，增強它的緊密性，并進一步提高其使用壽命。

關(guān)鍵詞：納米技術(shù)；土木工程；材料性能

1 前言

納米科技被認為是一個創(chuàng)新的領(lǐng)域，具備歷史性的意義，同時也被尊稱為21世紀經(jīng)濟增長的關(guān)鍵驅(qū)動力。在學術(shù)界，大部分人都一致認為納米級技術(shù)、信息科技以及生物科技是21世紀三大核心技術(shù)，它們不僅對全人類的進步有著不可忽視的貢獻，同時也在推動各國的經(jīng)濟和文化進步中起到了至關(guān)重要的作用。著名的科學家錢學森明確提到：“納米技術(shù)會是21世紀科技進步的焦點，它不僅會帶來技術(shù)革新，同時也會推動產(chǎn)業(yè)變革”。

納米科技，也稱為納米科技或納米科學和技術(shù)，有時又被簡略地稱為納米技術(shù)，它專注于研究材料的性質(zhì)和應(yīng)用，其特點是其結(jié)構(gòu)尺寸通常位于0.1到100納米之間。納米技術(shù)的進步，為土木建設(shè)領(lǐng)域帶來了巨大的推動力，賦予了這一行業(yè)前所未見的發(fā)展?jié)摿1]。

2納米增強土木工程復合材料的制備與表征

2.1納米增強土木工程復合材料的制備方法

2.1.1直接共混法

在直接共混法中，納米填料與如聚合物或水泥這類基礎(chǔ)物質(zhì)被直接融合，并通過機器攪拌或是剪切力，來確保納米填料得到均衡的分布。因此，需要采用如表面調(diào)整、添加相溶劑或?qū)w表面進行改性等措施，以增強納米填料與基體材料的相互作用，并最終優(yōu)化其分散性。

2.1.2原位聚合法

原位聚合技術(shù)首先確保納米級填料在聚合物單體內(nèi)均勻分布，然后觸發(fā)這些單體進行聚合，以實現(xiàn)納米填料與聚合物基體的緊密結(jié)合。

2.1.3化學氣相沉積法（CVD）

使用化學氣相沉積法是一個高效的技術(shù)，可以成功制備納米碳管和其他納米材質(zhì)。透過高溫條件下的碳源氣體分解，可以在基礎(chǔ)材料之上沉積納米級別的納米級納米管等物質(zhì)，采用此技術(shù)所制備的納米材料具有很高的純度、優(yōu)越的結(jié)晶性，并可以通過精細控制反應(yīng)條件來微調(diào)納米材料的構(gòu)造與性質(zhì)。

2.1.4溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠技術(shù)是一種用于制造無機納米復合物的手段。通過先將金屬醇鹽、無機鹽等前驅(qū)元素溶解于溶劑內(nèi)部以形成溶膠，利用這種技術(shù)制成的材料既純度上乘又具有出色的均勻性，并且可以通過精準調(diào)整反應(yīng)環(huán)境，調(diào)整其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能特性。

2.2納米增強土木工程復合材料的表征技術(shù)

2.2.1掃描電子顯微鏡（SEM）

掃描電子顯微鏡作為一種納米復合材料的常規(guī)檢測手段，能夠揭示出材料表層的微觀形態(tài)及其結(jié)構(gòu)特征。利用掃描電子束的顯微鏡技術(shù)，能得到高清晰度的圖像，進一步洞察材料的粒子尺寸、形態(tài)和它們的分布特征。SEM被認為是一個對于納米增強土木工程復合材料中的納米粒子的分散狀況、界面形態(tài)和細致形態(tài)進行分析的關(guān)鍵工具。

2.2.2透射電子顯微鏡（TEM）

通過使用透射電子顯微鏡，可以詳細分析材料的深層結(jié)構(gòu)以及其晶體布局。利用透射出來的電子束仔細檢查材料的微觀層次，可以獲得納米復合材料的晶體結(jié)構(gòu)和其中的缺陷描述。TEM具備足夠的分辨能力以滿足納米尺寸觀測的需求。

2.2.3 X射線衍射（XRD）

X射線衍射技術(shù)被應(yīng)用于評估材料晶體的構(gòu)造及其晶體學的屬性。在對材料樣本進行照射時，能夠準確測定材料對X射線的衍射模式，從而可以估算出材料的晶格構(gòu)成和晶體體積。XRD技術(shù)的應(yīng)用包含了廣角X射線衍射（WAXD）和小角X射線散射（SAXS）兩大方面。WAXD技術(shù)可用于鑒定納米結(jié)構(gòu)單元的各項參數(shù)，例如結(jié)構(gòu)畸變的情況。通過衍射峰的半高寬，可以計算得到與晶面方向一致的平均粒子尺寸。SAXS方法是用來確定粒子的大小分布、其體積比率和粒子與基體界面的面積。

2.2.4傅里葉變換紅外光譜（FTIR）

傅里葉變換紅外光譜技術(shù)作為一種方法，用于詳細描述材料內(nèi)部的化學鍵、功能集群以及結(jié)構(gòu)性信息。FTIR技術(shù)在納米強化土木工程復合材料領(lǐng)域中，能夠作為一種研究方法，用于觀察納米顆粒和基礎(chǔ)材料間的互動以及化學鍵的合成過程。

2.2.5原子力顯微鏡（AFM）

使用原子力顯微鏡，可以觀察到納米綜合體系在表面的微觀細節(jié)以及其在近原子層面的微觀結(jié)構(gòu)信息。AFM技術(shù)在納米增強的土木建筑材料中，可以用來探討納米顆粒的外觀、表面粗糙度以及它們與基材間的互動性。

3納米技術(shù)的土木工程復合材料的性能優(yōu)化

目前已經(jīng)開發(fā)了大量新型無機及有機聚合物復合材料，并已成功應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中。

3.1納米材料在建筑材料性能優(yōu)化中的作用

3.1.1提升機械性能

碳納米管具有獨特的物理特性和化學性能，可以有效改善復合材料的力學、物理性能。當這些納米級的管狀結(jié)構(gòu)被嵌入到混凝土或金屬材料中，可以顯著提升材料的承載能力[2]。

3.1.2增強耐久性

應(yīng)用納米技術(shù)顯著地增強了建筑材料的持久性。納米粒子具有獨特的物理、化學特性以及良好的力學性能，在水泥基材料中得到廣泛應(yīng)用。納米硅粒子由于其微小的尺寸和高度的活性，能夠在混凝土中均勻分布，填充微小的空隙，從而降低水分和有害化學物質(zhì)的滲透[3]。

3.1.3改善環(huán)境適應(yīng)性

納米材料在增強建筑材料對環(huán)境的適應(yīng)能力上也起到了不可或缺的角色。納米材料在提高材料的耐久性和耐水性等方面也具有巨大潛力。這類材料可以與外墻漆結(jié)合，通過陽光來觸發(fā)化學反應(yīng)，從而分解空氣中的各種污染物，例如氮氧化物和有機污染物[4]。

4傳統(tǒng)材料與納米增強工程材料的對比

本文從納米尺度對建筑結(jié)構(gòu)性能的影響以及對混凝土力學性能的影響兩個方面介紹了目前研究較多的納米技術(shù)在建筑材料中應(yīng)用的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。在表1里，對比了傳統(tǒng)建筑材料與納米增強材料在性能參數(shù)上的差異。此外，還列舉了大量關(guān)于納米結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系方面的研究成果。這批數(shù)據(jù)是基于最近幾年的研究成果和真實的應(yīng)用實例，它們揭示了納米技術(shù)在實際場景中的巨大影響。

4.1混凝土性能的提升

納米硅粉能顯著改善混凝土的抗凍性能、抗碳化能力以及抗沖擊性能等，得益于納米硅粒子的加入，混凝土的密實度和均勻性得到了顯著提升。

4.2鋼材性能的改進

納米增強的鋼材在抗拉強度上增加了50%，納米技術(shù)在優(yōu)化金屬晶格結(jié)構(gòu)上的運用，使得材料的固有強度和延展性都得到了顯著的提升。

4.3外墻涂料的創(chuàng)新應(yīng)用

傳統(tǒng)的外墻涂料缺乏自我清潔和空氣凈化的功能，目前常用的建筑外墻裝飾材料大多存在污染重、成本高、壽命短等缺點。

4.4隔熱材料的性能優(yōu)化

與傳統(tǒng)隔熱材料相比，納米隔熱材料的熱導率下降了50%，這表明它具有更出色的保溫性能和更高的能源效率。

5納米技術(shù)在土木工程復合材料領(lǐng)域的未來應(yīng)用

5.1智能建筑材料

目前已經(jīng)有一些研究人員嘗試使用納米技術(shù)來實現(xiàn)智能建筑功能。例如，可以構(gòu)建納米級的涂層，這樣在溫度發(fā)生變化時，它的顏色會發(fā)生變化，進而影響建筑的熱吸收和反射特性。此外，納米粒子還可作為催化劑參與化學反應(yīng)，如通過光催化分解水制氫、二氧化碳還原以及催化氧化等。

5.2自修復材料

自修復材料是一類具有自我修復微小裂縫或損害能力的物質(zhì)，目前已經(jīng)有很多研究報道了基于納米材料的自修復材料。這類材料內(nèi)部包含了微細的納米膠囊，當這些納米膠囊出現(xiàn)裂痕時，它們會立即破裂，釋放修復材料，填充裂縫并恢復材料的原始完整性[5]。

5.3創(chuàng)新應(yīng)用對未來建筑設(shè)計和施工的影響

5.3.1改變設(shè)計理念

在過去幾年中，越來越多的新型建筑被提出并開始投入使用。這批建筑物具有更出色的能力來適應(yīng)環(huán)境的各種變動，例如溫度的不穩(wěn)定和氣候條件，從而提高了人們的居住和使用體驗。

5.3.2革新施工技術(shù)

在土木工程領(lǐng)域，納米材料還能提供新的功能。例如，采用自我修復的混凝土材料能夠降低對建筑結(jié)構(gòu)的常規(guī)檢查和維修需求，進而有效地減少了維護的總成本和縮短了維護周期。這些新材料在土木工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

6結(jié)論

基于納米技術(shù)增強的土木工程復合材料在力學性能、耐久性、抗裂性能以及特殊性能等方面均表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。這些研究成果為土木工程領(lǐng)域提供了新的材料選擇和性能優(yōu)化方法，有助于推動土木工程技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。未來，隨著納米技術(shù)的不斷進步和成本的降低，納米復合材料在土木工程中的應(yīng)用將更加廣泛和深入。

參考文獻

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[2]康欣欣.碳布/泡沫鎳上生長的金屬有機框架復合材料的制備及電催化析氧性能研究[D].沈陽師范大學，2024.

[3]李佳豪.新型土木工程材料應(yīng)用分析[J].居舍，2024，（07）：30-32.

[4]錢若霖，黃春暉.碳纖維復合材料在土木加固工程中的應(yīng)用研究[J].合成材料老化與應(yīng)用，2023，52（06）：117-119.

[5]郭鵬偉.復合材料對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響研究[J].造紙裝備及材料，2021，50（09）：28-30.