納米材料與技術在水泥混凝土中的應用探究土木工程論文

　　摘要： 水泥混凝土中加入納米材料在現代建筑行業中應用十分廣泛。綜合講述了納米材料在水泥混凝土中的應用, 并總結了目前的應用現狀。分析對比了在水泥混凝土中常用的幾種納米材料的效果以及將來在其中運用的趨勢。

　　關鍵詞： 納米材料; 水泥; 混凝土; 探索;

　　0 引言

　　納米材料典型的晶粒尺寸為1~100nm, 作為一種新材料在各領域展現出廣闊的應用前景。在當今建筑行業, 水泥混凝土被廣泛應用, 但是由于其成本的原因, 還沒有對納米技術及納米材料在水泥混凝土的改造性上加以重視。研究證實, 水泥硬化漿體的組成是:納米級孔、納米級粒子和毛細孔。研究成果證實:用納米技術及納米材料可以進一步改善水泥混凝土的微觀機構, 可以對水泥混凝土進行改性, 顯著提高混凝土的物理學性能和耐久性。

　　1 納米材料的特性及作用

　　實驗研究顯示, 使用納米技術將納米材料加入水泥混凝土, 水泥混凝土的空隙將會被納米礦粉填充, 是混凝土的流動性增加, 還可以使混凝土中水泥和骨料的結構面得到改善, 增加混凝土的強度、耐久性和抗滲性能, 這是由于納米粒子的表面效應和小尺寸效應的結果。使用納米技術將粒子的尺寸減小到納米級, 會引起表面原子數急劇增加, 粒子的表面積和表面能都會隨著上升, 與普通粒子相比, 化學活性和催化活性都有很大的變化, 這樣可以使納米礦粉和水化產物大量鍵合, 同時在以納米礦粉為涇河的顆粒表面形成水化硅酸鈣凝膠相, 把相對松散的水化硅酸鈣進行膠凝, 變為以納米礦粉為核心的網狀結構, 致使水泥石的徐變度降低, 由此可以提高水泥硬化漿體的強度及其他的性能[1]。

　　2 納米技術在混凝土中的應用

　　應用在混凝土中的納米材料主要有納米Si O2、納米Ti O2、碳納米管、納米Zr O2、納米碳酸鈣、納米粘土等。

　　(1) 納米Si O2是較早被應用于提高混凝土性能的研究中的。納米Si O2具有更強的凝硬性, 納米Si O2與氫氧化鈣晶體發生反應, 在骨料—水泥界面過渡區形成C—S—H凝膠, 有效的降低了氫氧化鈣晶體的數量和大小, 由此可以提高早期的水泥混凝土的強度, 并可以提高31%~57%的抗折強度。混凝土中加入納米Si O2, 較之以前, 結構更加緊密。均勻, 有效提高了水泥混凝土的水滲透性。

　　(2) 納米Ti O2作用于水泥混凝土中可以發生光化學反應, 起到催化作用。在道路工程中, 可以起到吸收汽車尾氣的作用。使用納米材料Ti O2顆粒, 制備具有光催化自凈作用的混凝土, 可以吸收城市污染物, 且在被雨水沖刷過程中可直接進入回收處理系統。納米Ti O2加粉煤灰替代部分水泥, 能配制出機械強度更高、耐久性更好的混凝土, 其原理是顆粒更小, 比表面積更大, 反應速度加快, 其最關鍵的影響因素實納米粒子的尺寸。

　　(3) 具有優異機械性能的碳納米管經常被用來提高水泥基復合材料的承載性。納米成像證實, 增強水泥漿的微觀機構的穩定性, 是碳納米管通過橋接納米孔實現的;納米壓痕實驗結果證實, 碳納米管通過減少孔隙度并增加C-S-H的量來使水泥漿的納米結構增強。碳納米管也是智能混凝土的原材料之一, 本身就具有很好的電學性能。根據此特性, 可以將碳納米管應用到水泥質的材料中去, 合成的多功能納米復合材料具有高應變靈敏度和信噪比的壓阻和應變感測特性, 利用此特性, 可以制造自感納米復合水泥將, 可以實現混凝土結構的結構健康監測。還可以實現自感混凝土的制備等。

　　(4) 納米粘土的主要成分是Si O2和Al2O3, 摻入混凝土中, 致使水泥水化的早期速度加快, 增多水化產物的量;與沒有加入納米材料的水泥混凝土相比, 加入以后的水泥混凝土水化的孔結構改善, 大孔數量減少, 小孔數量增多, 微觀結構更加致密;加入納米粘土材料后, 增強減水作用, 促使晶核發生反應, 密實性更好, 可以提高混凝土的強度和耐久性能。試驗證明, 在相同流動度的條件下, 加入水泥質量的0.75%的量的納米粘土材料, 可以將水泥凈漿和混凝土的用水量減少10%左右。將納米粘土材料加入混凝土后, 可將混凝土3d、7d、28d的抗壓強度分別提高20%、15%和10%;加入納米粘土材料后, 對于混凝土的抗滲性和抗凍性也有很明顯的改善。在納米黏土材料的填充、減水和晶核的多重作用下, 水泥的水化速度和程度顯著加快, 由于水泥石的孔結構和密實性的改善, 致使混凝土抗壓強度和耐久性都有相對的提高。通過XRD、DSC-TG、SEM分析等可以認為納米粘土摻入混凝土中能起到減水、填充和晶核3個作用, 從而提高混凝土的密實度[2]。

　　(5) 納米Zr O2由于其具有耐高溫、耐腐蝕等特性, 在高性能陶瓷中被廣泛應用。由于納米Zr O2粉體具有相變效應和納米顆粒相應, 所以可以提高陶瓷的致密性。有學者認為將納米Zr O2摻入水泥材料中, 可以制備高強度、高性能混凝土。Mcolm研究小組在水泥基裁量中加入納米Zr O2, 水泥石的斷裂強度可以提升到44Pa, 水泥石的斷裂韌性提高了將近4倍[3]。

　　3 結語

　　混凝土通過加入納米材料改性后, 強度、任性、耐久性等各方面的性能都有顯著的提高。所以對于建筑材料來說, 納米礦粉將成為制備高性能混凝土的重要材料。另外, 我們可以將特殊的納米材料加入混凝土中國, 制備不同具有不能性能的混凝土。但是納米材料的價格是其運用于水泥混凝土中的最大阻礙, 要從納米材料的制備入手, 降低成本, 同時還需要展開大量的試驗和機理研究, 對納米材料在混凝土中的引入進行定量分析, 以提高利用率, 降低成本。目前的研究成果較少, 納米材料之間的差異也較大, 不具有普適性。需要開展系統性的試驗研究, 形成指導性規范。

　　參考文獻

　　[1]李君尉.納米技術在高性能混凝土應用中的研究進展[J].建材發展導向, 2017, 15 (20) :37-39.

　　[2]許耀群, 李曙光, 王娟, 等.納米材料對混凝土耐久性和功能性影響研究[J].水利水電技術, 2017, 48 (09) :208-215.

　　[3]趙巖.納米Ca CO3等對摻防水劑的水泥基材料性能的影響研究[D].安徽理工大學, 2017.

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