混凝土中纳米粒子的运用探析

　　摘    要：　在混凝土中掺入纳米材料可提高混凝土的强度和耐久性。文中对纳米材料在混凝土中的应用做了简单分析。

　　关键词：　混凝土; 纳米材料; 混凝土性能;

　　Abstract：　Adding nano materials into concrete can improve the strength and durability of concrete. In this paper, the application of nano materials in concrete is analyzed.

　　Keyword：　Concrete; Nano materials; Concrete performance;

　　0、前言

　　混凝土是将胶凝材料和骨料胶结成复合固体，材料丰富，耐用，配合比可根据实际情况配制，形状可定制，热膨胀系数和钢筋相似，可以整体浇筑。在设计混凝土施工时，通常需要考虑其和易性，使其便于施工。在混凝土的规定龄期内要满足强度要求。其耐久性能，包括抗冻性能、抗渗性能、耐磨性能和抗介质侵蚀性能都需要满足要求。

　　纳米材料是新兴材料，广泛应用于各个领域。在混凝土中掺入纳米材料可有效改善混凝土的各项性能。

　　1 、概述

　　纳米材料有着常规材料不具备的特殊性能，如高强度高韧性、高比热和热膨胀系数、异常的导电率和扩散率、高磁化率和电磁波的强吸收率。这些特殊性能就使得纳米材料可以应用于很多领域，在多方面发挥特殊的性能，拥有非常广阔的研究前景。由于纳米材料的小尺寸而产生了四大效应：尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应和界面效应[1]。
 

　　2 、混凝土的性能

　　2.1、 力学性能

　　用混凝土抗压强度作为其力学性能的总指标，混凝土的强度等级是以标准立方体试件（150mm×150mm×150mm）在标准条件下（20℃±3℃，湿度90%以上）养护28d的抗压强度指标[2]。影响混凝土强度的因素：（1）水泥强度大及水灰比小时，游离水少、结构密实、孔隙率小，混凝土的强度会高；（2）骨料的质量需要一些表面粗糙富有棱角的碎石；（3）养护条件要有适宜的温度和湿度；（4）适宜的龄期。

　　2.2、 耐久性能

　　混凝土的耐久性能主要有抗冻融，抗渗透，耐侵蚀和抗风化等。混凝土的和易性良好，水灰比小，浇捣密实，孔隙率低，裂缝少则外界物质侵入就会较困难，耐久性能会提高。

　　混凝土的抗冻性能按28d龄期混凝土试件所能承受的冻融循环次数确定，F50,F100表示混凝土可承受反复冻融次数为50次和10次。混凝土的抗渗性按28d龄期试件不透水所承受的最大水压来确定，抗渗等级划分为P4,P6,P8,P10,P12，大于P12等六个等级，相应表示能抵抗0.4、0.6、0.8、1.0及1.2MPa的静水压力而不渗水。混凝土的耐化学侵蚀性能和抗碳化性能也很重要。混凝土的干缩是指毛细孔和胶凝体中水分蒸发和散失而引起的体积缩小，耐磨性是指其抗机械磨损的能力，与混凝土的强度有关。

　　3、 纳米粒子在混凝土中的应用

　　3.1 、纳米Si O2在混凝土中的应用

　　黄征宇等[3]的研究发现，纳米Si O2(NS）是一种非晶态物质，可与矿物粉末形成网络交织状骨架结构，其骨架结构中由致密产物所填实的二级界面显微结构可以促进水泥的水化，提高水泥砂浆的早期强度。NS的加入使得水泥浆体的致密性和均匀性都相应提高，使混凝土的和易性和流动性均变差，其抗折强度最高可达到32.5MPa，提高了40.7%。从流动性和强度指标考虑，其最佳掺量在0.5%～1%之间；NS是目前大规模生产的一种纳米粉体材料，其表面有大量不饱和Si-O残键和不同状态下的羧基使得Si O2具有高反应活性[4]。

　　在温度较低的区域，对混凝土的抗冻性要求会较高，而混凝土的抗冻性是影响混凝土耐久性能的一个重要因素，王宝民[5]的研究发现，混凝土中掺NS仅有少部分表层浆体脱落，在与不掺NS的对比试验中相比较，其质量损失相对小。而冻融循环次数也相应提高，试验结果证明了NS的掺入对混凝土的抗冻性能有相应提升。另外，混凝土的抗渗性能和耐磨性能随着NS的掺加而提高，黄功学等[6]人的研究发现，对比不掺NS的混凝土相比，掺NS的渗水高度下降率最高达61.8%，抗冲磨能力最高提升了30.3%。掺NS对提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力也有很大提升，有效延缓了混凝土被硫酸盐侵蚀的速率[7]。

　　3.2、 纳米Ca CO3在混凝土中的应用

　　纳米Ca CO3的粒度很小，表面能高，性能优于普通碳酸钙。但由于其粒子表面羧基相互作用形成氢键而聚集，容易成团，故需要降低纳米碳酸钙的表面能来发挥它最大的效能。纳米Ca CO3(NC）的掺入使得混凝土不同龄期的强度逐步增强，且氯离子的渗透率下降[8]。NC的加入提高了混凝土的早期强度，但对后期强度作用不明显，但是若是掺入NC,NS，和硅粉的混合物，那么混凝土的后期强度也会大幅度提升[9]。但是NC的掺量也是影响混凝土强度的重要因素，混凝土的抗压抗折强度会随着掺量的增加而减小，其掺量在1.5%左右时，混凝土的抗压抗折性能最好[10]。

　　掺入NC也会提高混凝土在冻融后的强度，这是由于NC的加入使得混凝土内部空隙被填充，提高了混凝土的流动性，改善混凝土中水泥石与骨料的界面结构，使混凝土的强度提高，抗渗性能，耐久性能提高[11]。而NC的晶核作用，在水化产物附近产生毛细孔，量也发生显着变化，增大后提供了现成晶核使得水化硅酸钙（CSH）在其表面生长，改变水泥水化反应的速度；同时CSH凝胶的巨大表面能，很容易吸附其他离子，水泥颗粒表面就不会有厚厚的保护层，而阻碍水化的进程，水泥水化程度增加了，混凝土的性能相应提升[12]。

　　3.3 、纳米Al2O3在混凝土中的应用

　　纳米Al2O3氧化铝在混凝土中形成硅酸铝钙凝胶（C-A-S）。纳米氧化铝与铝酸钙水合反应生成的Ca(OH)2反应，此反应速率和反应的表面积成正比。因此，添加纳米氧化铝可以改善混凝土性能，在平均粒径为15mm情况下，纳米氧化铝可替代水泥，最大粒径不易超过2%。纳米氧化铝可以提高混凝土弹性模量，在掺量5%时达弹性模量可高达143%。纳米氧化铝掺入后混凝土的吸水率和氯离子渗透性下降，耐久性能提高。研究表明，掺氧化铝使混凝土28d的抗压强度提高了4.03%，当氧化铝含量从1%上升到3%时，强度从4.03%提高到8%，这与氧化铝的高活性有关，它加速了水泥的水化，同时氧化铝作为填料改善了混凝土的微观结构从而减少了水泥浆体中较大空隙体积[13]。混凝土的性能也就相应得以提升。

　　掺入0.2%纳米氧化铝后，在准静态荷载之下，强度和变形性能都显着提高，抗压强度提高了44.5%。动荷载作用时，纳米氧化铝混凝土的应变敏感度增加，随着应变的增加，峰值应力随之提升，极限应变的范围扩大，变形能力提高。同时电镜扫描的结果显示，加入纳米氧化铝后，水泥密实度提高，混凝土界面过度区得以改善，强度和韧性提升[14]。

　　3.4、 其他纳米材料在混凝土中的应用

　　纳米金属氧化物如Co O、Ti O2、Zn O等，可以制成传感器，如温度传感，红外传感和氧敏传感器等。一般的制备方式是将纳米金属氧化物掺入混凝中，使其具有强导电性能和传感作用结合，或是在混凝中插入纳米金属氧化物制成的传感器，使混凝土具有传感作用，适用于土工结构的长期监测，监控混凝土的开裂以及破坏情况及损伤评价和公路上车速及车重量的监测等[15]。

　　聚合物和无机纳米复合材料在也可在混凝土中广泛应用，此类材料的界面面积较大，会降低界面应力集中，消除了无机物与聚合物基体之间的热膨胀系数不匹配的问题，可充分发挥无机物分子的力学性能，如高耐热和聚合物可加工性，高强度，高韧性，热稳定性和良好的导电性能[16]。

　　4 、结论

　　随着现代材料科学迅速发展，高强度、高性能、多功能和智能化已成为行业的基本要求。在混凝土领域，同样需要突破，不仅仅是在工民建之中，在军事方面也有涉及。纳米材料的掺入大大提升了混凝土的性能，但纳米材料制备工序复杂，成本较高。纳米材料的掺入时难以达到均匀分散，是否会影响性能的提升，是需要进一步研究的问题。

　　参考文献

　　[1]许耀群，李曙光，王娟，等.纳米材料对混凝土耐久性和功能性影响研究[J].水利水电技术，2017,48(09):208-215.
　　[2]卢经扬.建筑材料[M].北京：清华大学出版社，2012.
　　[3]黄征宇，曹芳良.纳米材料对超高性能混凝土性能的影响[J]材料导报B：研究篇2012,26(9):136-141.
　　[4]张密林，丁立国，景晓燕.纳米二氧化硅的制备、改性与应用[J]化学工程师，2003,99(6):11-31.
　　[5] 王宝民.纳米二氧化硅高性能混凝土及机理研究[D].大连：大连理工大学，2009.
　　[6]黄功学，谢晓鹏.纳米二氧化硅对活性粉末混凝土力学性能影响的试验研究[J].人民黄河，2011,33(7):138-140.
　　[7]张伟，马芹永.纳米二氧化硅改性补偿收缩混凝土受硫酸盐侵蚀后压拉性能分析[J].混凝土与水泥制品，2013(13):13-16.
　　[8]李晗，高丹盈，赵军.纤维纳米混凝土力学性能和氯离子渗透性能的研究[J].华北水利水电学院学报，2012,33(6):39-45.
　　[9] 李固华.纳米材料对混凝土耐久性能的影响[J].成都：西南交通大学，2006.
　　[10] 李森.纳米CaCO3对混凝土性能的影响[J].建筑工程技术与设计，2016,(22).
　　[11]徐小倩，李洋，张景林，等.纳米材料改性混凝土的作用机理及研究进展[J].建设科技，2018(369):49-54.
　　[12]仲晓林，孙跃生，仲朝明，等.纳米黏土材料对水泥混凝土作用机理的研究[J].混凝土，2006(4):5-6.
　　[13]Kiachehr Behfarnia,Niloofar Salemi. The effects of nano-silica and nano-alumina on frost resistance of normal concrete[J]. Constructi on and Building Materials,2013,(48):580-584.
　　[14]朱从进，白二雷，许金余，等.纳米氧化铝对混凝土静动态力学性能的影响[J].硅酸盐通报，2016,35(08):2575-2580,2589.
　　[15]熊国宣，邓敏，宋碧涛，唐明述.纳米材料在混凝土中应用的思考[J].混凝土与水泥制品，2002(05):18-21.
　　[16]郭虹良.聚合物混凝土耐久性影响因素研究[D].北京：北京建筑大学，2019.