纳米混凝土.docx

纳米混凝土的可行性研究材科091邹志会200904016摘要：介绍了纳米材料的一些特性，讨论了纳米SiO2,硅粉和纳米级碳纤 维对混凝土强度和耐久性能的改善作用，纳米SiO2，硅粉和纳米碳纤维作为外 掺料可制备高性能混凝土，纳米材料作为外掺科还可用以制备具有特殊功能的混 凝土，例如，添加纳米金属氧化物可制备智能混凝土和环保混凝土，添加纳米金 属粉末可制备电磁屏蔽混凝土等关键词：纳米材料高性能混凝土智能混凝土特殊功能Abstract: This paper describes some of the characteristics of nanomaterials are discussed nano SiO2, silica fume and nano-scale carbon-fiber reinforced concrete to improve strength and durability of the role of nano-SiO2, silica and carbon nanofibers can be prepared as an admixture of high performance concrete, nano Materials can also be used as a preparation mixed with Division of concrete with special features, such as metal oxides can be prepared by adding nano smart concrete and green concrete, metal powder can be prepared by adding nano electromagnetic shielding concrete.Key words: nano-materials, special features smart concrete High Performance Concrete1引言随着社会工业化的深入发展和我国基础建设的广泛开展，水泥混凝土作为 一种传统的建材，其产量和用量都在不断地增加，高性能混凝土已成为水泥基复 合材料领域中的研究热点。

同时，许多特殊领域要求水泥混凝土具有一定的功能 性，如希望其具有吸声、防冻、高强且高韧性等功能纳米材料由于具有小尺寸 效应、量子效应、表面及界面效应等优异特性，因而能够在结构或功能上赋予其 所添加体系许多不同于传统材料的性能利用纳米技术开发新型的混凝土可大幅 度提高混凝土的强度、施工性能和耐久性能纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度（1-100nm，1nm=10-9mm） 范围或是由它们作为基本单元构成的材料由于其小尺寸，呈现出许多奇异的性 质，具有传统材料所不具备的优异的力、热、光、磁及化学等宏观性能，使之成 为当今材料科学领域研究的热点科学家预言，纳米材料和技术将是推动21世 纪科技发展的一个火车头，将对电子信息、生物医学、环保与能源、传统产业改 造（如汽车、纺织、化工、建材、冶金、机械）、航空航天等产业产生重大影响， 同时也将为改善人们的生活环境及保障人们的健康带来意向不到的好处纳米材 料在混凝土中的应用前景也将是十分广阔的2纳材料的小尺寸效应2.1特殊的力学性质平均粒径为6nm的纳米铁，断裂强度提高12倍，硬度提高2.3个数量级 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，而由纳米超微粒（如纳米1102）制成的纳米陶瓷材 料具有良好的韧性，这是由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面.界面原 子排列相当混乱.原子在外力变形条件下自己容易迁移.表现出很好的韧性和一 定的延展性.使陶瓷材料具有新奇的力学性能，成为，摔不碎的陶瓷”。

人的牙齿 之所以有很高的强度，是因为它主要是由纳米尺寸的磷酸钙构成的考古学家观 察到几千年前制备的古铜器和古瓷器表面至今完好无损，而这些表面均是由纳米 级的晶粒组成的2.2特殊的热学性质平均粒径为40nm的纳米铜，熔点由1053°C降到750°C,平均热胀系数增加 一倍块状金的熔点为1064C，当颗粒尺寸减小到10nm时，熔点降为1037C， 2nm时则降为327°C银的常规熔点为690C，而超细银的熔点降为100°C在钨 颗粒中加入（0.1-0.5）%重量比的纳米Ni，烧结温度可从3000C降为1200-1300°C2.3电磁波的强吸收性纳米金属粉末是一种良好的吸波材料由于纳米材料的表面效应，增加了 纳米材料的活性，在微波场的辐射下，原子和电子运动加剧，促使磁化，使电子 能转化为热能，从而增加对电磁波的吸收［2］可用于雷达波、红外线及可见光 的隐身材料3纳米材料在混凝土中的应用将纳米矿粉（如纳米SiO2、纳米硅粉、纳米碳纤维等）作为外掺料引入到普 通水泥混凝土中，对普通混.凝土的微观结构进行改性纳米矿粉不但可以填充 水泥的空隙，更重要的是由于纳米矿粉的火山灰活性，纳米矿粉会与水泥浆体中 的Ca(0H)2进一步反应，改善混凝土中水泥浆体的结构和性能、水泥浆体与骨 料的界面结构和性能，从而使混凝土的强度、韧性、抗渗性和耐久性能得以提高。

3.1硅粉及其在混凝土中硅粉，又称硅灰，是铁合金厂在冶炼硅铁合金或半导体硅时，从烟尘中收 集的一种飞灰，主要成分SiO2,平均粒径100hm左右，实质是纳米级颗粒、亚 微米级颗粒及少量微米级颗粒组成的混合物，具有优越的火山灰性能研究表明，硅粉的填充和火山灰作用，使其成为一种有效的附加胶凝材料， 能增强混凝士的物理力学性能用不同量硅粉替代混凝土中的水泥，并外掺高效 减水剂，使W / (C+SF)(w、C和SF分别表示水、水泥和硅粉)及塌落度保持与 基准混凝土一致，则含SF的混凝土的抗压强度高于对比的基准混凝土，28d强 度提高(5-35)%硅灰和高效减水剂双掺可起到节约水泥、提高强度的双重效果 以硅灰代替混凝土申的部分水泥•还能降低水化热而不降低强度，配制高强低热 的高性能混凝土，用于大体积混凝土工程另外，掺入硅灰还可提高混凝土的耐 久性：提高抗水、抗C1-渗透、抗电化学腐蚀性能3.2纳米SiO2应用于混凝土浙江工业大学的研究表明，纳米SiO2具有较高的火山灰活性，应该可以用 于水泥基材料中重庆大学对纳米SiO2材料在水泥基材料中的应用进行了可行 性研究，得到的初步结论是将纳米SiO2材料掺入到水泥基材料中，水泥基材料 的强度和流动性都有所提高，但掺量不宜过高。

浙江工业大学、哈尔滨工业大学 及沈阳建筑工程学院进一步就纳米SiO2和硅灰对水泥基材料的改性进行了研 究，结果表明，纳米SiO2材料能明显降低水泥浆体的结构缺陷，提高水泥硬化 浆体的强度福州大学将纳米SiO2掺入到粉煤灰混凝土中，并对其物理力学性 能进行了初步的试验研究，试验表明，掺加纳米SiO2可提高粉煤灰混凝土 7天 和28天的抗压强度与抗折强度上述这些成果表明，将纳米材料掺入普通混凝 土中，是可以改善混凝土的微观结构，从而可以使混凝土的物理力学性能得到改 善的总的来说，有关纳米SiO2在水泥混凝土中应用的研究还处于探索阶段， 国内外相关的报道还很少，且试验结果也较离散3.3纳米级碳纤维环氧树脂复合材料在混凝土中的应用把纳米级碳纤维环氧树脂复合材料用于水泥混凝土中，不仅可以提高混凝土的抗压、抗拉和弯曲强度,而且可提高其耐久性在混凝土混合料中掺入一定量 的纳米级碳纤维环氧树脂复合材料，使之均匀分散在混凝土中，利用纳米级碳纤维 环氧树脂复合材料的导电性能，测试电阻的变化,建立电阻与荷载之间的模型，从 而可以预测混凝土结构的破坏• Bum..(e)立体结构碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂 复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为 23000〜43000Mpa亦高于钢。

因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可 达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模 量也比钢高ME"盘丄热固性树脂基体在复合材料的固化和制造成型过程中，分子结构会产生一系 列的物理和化学变化，由线形的分子结构转变成三维的网状交联结构，而树脂基 体本身由黏流状态转变成不溶或不熔的坚实固体状态，将其中的纤维紧紧的固结 在一起，形成一种新的多相的材料体系，纤维和树脂的作用是相辅相成的，正是 由于树脂的固结和保护，纤维才能有效的发挥承载作用，复合材料也才能作为结构使用树脂基体的性能在很大程度上关系到复合材料最终的使用性能，对结构复合 材料而言，最重要的是最高使用温度、强度、刚度、疲劳、韧性和耐湿热老化等产品 型号纤维 方向厚度(mm)幅宽(mm)长度(抗拉强 度(MPa)弹性 模量(GPa)纤维体 积含量 (%)伸长率(%)CFP-512单向1.25050/100>2400>160>65>1.7CFP-1012单向1.210050/100>2400>160>65>1.74发展方向和应用前景4.1纳米矿粉在水泥混凝土中的应用 制备高性能混凝土前面的论述己表明，纳米矿粉(纳米Si02、纳米硅粉等)的掺入对混凝土的强度、韧性及耐久性等性能有明显的改善作用。

但目前纳米Si02、纳米硅粉的价格 很高，这就限制了它们在混凝土中的实际应用下述工作值得关注:1. 纳米硅粉、纳米Si02等纳米矿粉的制备工艺，降低其成本、价格2 •纳米矿粉对混凝土宏、微观性能改性的机理3 •纳米混凝土的制备技术4 •纳米混凝土材料的物理力学性能5•纳米混凝土结构构件受力性能的研究有理由相信，不久的将来，纳米矿粉将成为制备高性能混凝土的又一重要 组分随着纳米科技的发展，如果能将水泥颗粒直接纳米化，并充分认识纳米水 泥的水化作用机理后，纳米混凝土的应用领域将更加广阔4.2纳米材料在混凝土中的应用 制备功能性混凝土1 •智能混凝土由于纳米材料巨大的比表面积和界面，使得它对外界环境十分敏感，环境 的改变会迅速引起表面和界面离子价态和电子运输的变化纳米材料的这种特性 使其成为应用于传感方面有前途的材料［2］在混凝土中掺入某种纳米金属氧化 物，使混凝土具有较强的导电性能，同时还具有传感作用，也可在混凝土中植入 用纳米金属氧化物制成的传感器聚合物/无机纳米复合材料也有可能应用于混 凝土，不仅可提高混凝土的抗压、抗拉强度及韧性和耐久性能，还可利用聚合物 /无机纳米复合材料的优异导电性能，测试其电阻的变化，建立电阻与荷载的关 系。

这种智能混凝土可用于大型、重要土木工程结构的实时和长期健康监测，对 及时防范混凝土开裂与破坏，防止重大突发事故的发生具有重要意义2 •环保混凝土纳米锐钛型二氧化钛（纳米TiO2）是一种典型和优良的光催化纳米材料，受到 太阳光中紫外光激发后产生的光生空穴的氧化电位大于3.0eV，比一般常用的氧 化剂的电极电位都要高，具有很强的氧化性，能够氧化多种有机物和一些无机有 害气体•将其最后氧化成无机小分子和矿物酸［3］利用纳米TiO2的这些特性 可用于制作具有环保功能的混凝土如在公路、街道路面混凝土浇筑过程中掺入 纳米Ti 02，可获得良好的除氮氧化物的功能，以除去汽车尾气中所含的氮氧化 物，使空气质量得以改善例如，1998年日本大阪府实施了“采用光催化剂改善 沿路环境事业"的项目，在大阪府道临海线道路两侧建设了光催化净化混凝土 墙.起到了降低氮氧化物浓度的作用日本长崎和美国洛杉机在交通繁忙的道路 两边，铺设光催化净化功能的混凝土地砖（如。