纳米材料在混凝土中的应用研究

谢 飞

(重庆交通大学材料科学与工程学院 重庆 400060)

当今世界土建行业用途最广的混凝土为大型基础设施与城镇建设的发展做出了卓越的贡献。目前在机场、铁路、隧道、核电站、公路、水电站、港口、海洋等重大工程项目方面建设量依旧是非常大的。对于传统混凝土基体来说，为了有效适应现代大型基础设施工程对高性能混凝土(HPC)高强增韧、高流动性、高耐久性的综合需要，需要引入能改善水泥混凝土基体的微观结构及功能性能的增韧补强组分，而性能优异的纳米金属氧化物及无机纳米材料在水泥混凝土行业研究与应用已得到有效开展[2]。

(一)纳米金属(氧化物)

(1)作用机理：拥有巨大的比表面积及界面结构的纳米金属(氧化物)对外部环境特别敏感。我们就可以利用这些特性把纳米金属应用于电化学、气体吸附、光催化等方面作为填充涂层材料，进而应用于某些特殊工程，譬如环保混凝土等。

(2)典型代表材料：

①纳米TiO2：纳米二氧化钛具有良好的半导体及光催化特性，可喷涂在混凝土路面表层，进而可吸收空气中的氮氧化物NOX、硫化物；
涂覆在混凝土墙面，降解墙壁室内有机涂料中的甲醛。纳米TiO2除了使混凝土拥有光催化功能，还能对混凝土的微观结构、抗渗耐久性、耐磨耗等物理性能产生积极的影响。董素芳等研究表明，掺有纳米TiO2的混凝土不仅拥有良好的抗渗耐久性，而且拥有较高的弯曲抗疲劳性能。唐洪波等研究表明，纳米TiO2的掺入对于混凝土抗氯离子渗透性有明显的提高作用，而且可极大的增强混凝土的耐磨耗性能，进而可发展成一种同时拥有可光催化降解汽车尾气功能及表面耐磨耗能力强的现代混凝土路面。

②纳米Al2O3：纳米Al2O3作为活性填料填充到水泥混凝土中时，能充当水泥水化模板，使水泥水化的更充分，提高了混凝土的紧凑度，进而不仅可有效减少有害硬化混凝土孔隙结构，最终提升相应混凝土的机械力学性能。同时作为多孔性耐热材料，有效改善铝酸盐水泥基体的体积热容、热导率和热膨胀系数等储热性能，进而可有效用于太阳能热发电系统中的储热环节。

(二)碳质纳米材料(CNT)

(1)作用机理：由于CNT碳纳米管是中空的管状一维纳米材料，与水泥水化产物C-S-H处于相近量级，同时超高的长径比、超高比表面积及超强的力学韧性，在很少CNT掺量时就可有效弥补水泥混凝土材料多孔性收缩以及本征脆性缺陷。

(三)无机非金属纳米材料(SiO2)

作用机理：由于纳米二氧化硅具有小尺寸效应，表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子遂道效应和特殊光、电特性、高磁阻现象、非线性电阻现象以及在高温下仍具的高强、高韧、稳定性好等奇异性，纳米二氧化硅可广泛应用各个领域。纳米二氧化硅促进水泥水化，将水泥水化的早期产物Ca(OH)2转变成水化硅酸钙凝胶，火山灰活性大大提高，进而使界面过渡区Ca(OH)2晶体尺寸有效减小，使得混凝土微观结构更加紧凑，相应的宏观性能也得到有效改善。

(一)纳米材料对混凝土强度的影响

季韬、黄与舟等[10]在FC(粉煤灰混凝土)基础上掺入0.5%的纳米Si02。

(1)试验工艺流程：先将高效减水剂与部分水搅拌均匀，然后将纳米SiO2倒入，再搅拌均匀；
纳米SiO2不溶于水，但由于高效减水剂的分散作用，纳米Si02基本上可溶于高效减水剂与水的混合体中。

(2)实验结果：

当在粉煤灰混凝土中掺入0.5%的纳米SiO2时，其7天的抗压强度提高了9%，7天抗折强度提高了14%，28天抗压强度提高了4%，28天抗折强度提高了8%。

(3)结论：①纳米材料的掺加对混凝土强度有所提升；
②纳米材料对混凝土早期强度提升的更多；
③纳米材料对混凝土抗折强度提高的比抗压多。

(二)纳米材料对混凝土抗渗性的影响

陈竹[2]等通过掺加不同纳米材料(分别为0kg，9kg，16kg，25kg)，分析纳米材料能否改善混凝土内部孔隙构造，由此改善其抗渗性能。

(1)渗性能试验采用快速氯离子渗透法(RCM)，圆柱体试件直径为(10±1)mm，高度为(50±2)mm。

(2)实验结果：纳米SiO2的掺入到混凝土中可以明显降低了混凝土的氯离子渗透系数。随着掺量的增加，混凝土的氯离子渗透系数先提高后降低。

(3)结论：

①一方面由于纳米SiO2的水化产物，另一方面是纳米SiO2本身的填充效应，两者填充了混凝土孔隙，并堵塞了混凝土内部的通道，降低了氯离子进入试件内部的可能性；
②纳米SiO2、水化硅酸钙凝胶均对Cl离子有一定的吸附及固化作用。

上述两方面的作用降低了混凝土内氯离子含量，提高了混凝土抗渗性能。

(三)纳米材料对混凝土抗冻性的影响

余安明[1]等通过实验形象表现了纳米材料的掺加改善了混凝土的孔隙构造，提升了其抗冻性能。具体机理如下图：

纳米碳酸钙的晶核作用可以明显降低氢氧化钙在水泥基材料的界面上的定向排列和密集分布，有利于改善界面结构。同时通过改善细颗粒级配，可降低混凝土的孔隙率，提高抗冻性。

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