納米材料對(duì)混凝土綜合性能的改變研究

　　摘 要：　綜述了目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)納米二氧化硅、納米碳酸鈣、納米二氧化鈦等納米材料在混凝土中的應(yīng)用及對(duì)混凝土力學(xué)性能、耐久性能等方面影響的研究進(jìn)展, 總結(jié)了目前納米材料在研究及應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題, 并提出了需要進(jìn)一步深入研究的建議, 展望了納米材料在混凝土中應(yīng)用的發(fā)展前景。

　　關(guān)鍵詞：　納米SiO2; 納米CaCO3; 納米TiO2; 力學(xué)性能; 耐久性; 混凝土;

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　　0、前言

　　納米材料粒徑一般在1～100 nm, 顆粒極小但比表面積很大, 這種特性使其具有高表面活性、強(qiáng)氧化性等一些特殊性質(zhì)。混凝土是目前建筑行業(yè)中使用最廣泛的材料之一。普通混凝土剛性大而柔度小, 同時(shí)由于自身存在的一些天然缺陷, 混凝土在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)裂等現(xiàn)象, 甚至引起結(jié)構(gòu)破壞。目前, 提高混凝土性能的常用方法之一是材料的復(fù)合化。將納米材料摻入混凝土中可以在一定程度上改善和提高混凝土的物理、力學(xué)等方面性能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者將不同的納米材料 (如納米SiO2、CaCO3、TiO2等) 加入混凝土中, 并對(duì)其力學(xué)及耐久等性能進(jìn)行了大量的研究, 并取得了豐富的成果。但依然存在一些研究不成熟的地方, 需要繼續(xù)進(jìn)行深入系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析。本文就近些年有關(guān)納米材料對(duì)混凝土性能的影響研究?jī)?nèi)容進(jìn)行綜述, 對(duì)目前納米材料混凝土研究中出現(xiàn)的問(wèn)題及需要進(jìn)一步進(jìn)行的研究提出意見(jiàn)和建議。

　　1、 納米材料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

　　1.1、 納米二氧化硅對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

　　納米二氧化硅 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)NS) 粒徑小、比表面積大、穩(wěn)定性和純度高, 具有比硅灰更強(qiáng)的火山灰活性, 能提高水泥的水化反應(yīng)速率并提高水泥的水化效果, 加上其較好的晶核作用和填充效應(yīng), 成為眾多科技工作者研究關(guān)注的重點(diǎn)。

　　NS摻入混凝土中后, 良好的填充效果使得混凝土的密實(shí)度有所提高, 加之NS具有很高的活性, 與水化產(chǎn)物結(jié)合在一起形成新的水化硅酸鈣凝膠相, 同時(shí)NS可以消耗一部分Ca (OH) 2, 促進(jìn)水泥水化, 使得混凝土的力學(xué)性能有所提高。鄭俊穎等[1]研究了不同摻量NS混凝土的抗壓、劈拉強(qiáng)度, 研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)NS摻量為0～1.5%時(shí), 混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著增加, 且隨NS摻量的增加而逐漸提高, 但對(duì)混凝土的劈拉強(qiáng)度影響不大。陳堅(jiān)等[2]研究了NS對(duì)鋼纖維混凝土抗壓性能的影響, 結(jié)果表明, NS摻量在一定范圍時(shí)能提高鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度, 尤其是早期抗壓強(qiáng)度。梁博等[3]對(duì)摻NS的普通混凝土和超細(xì)粉煤灰混凝土進(jìn)行了抗壓和劈拉試驗(yàn), 結(jié)果表明, 對(duì)普通混凝土來(lái)說(shuō), NS的適宜摻量為0.8%, 而對(duì)超細(xì)粉煤灰混凝土而言, NS的適宜摻量則為1.0%。Amin M等[4]研究了不同摻量NS等對(duì)混凝土抗壓、劈拉、抗折強(qiáng)度和彈性模量的影響, 結(jié)果表明, NS最佳摻量為3%。燕蘭等[5]比較了摻NS的普通混凝土與鋼纖維混凝土高溫前后的抗壓強(qiáng)度, 研究發(fā)現(xiàn), NS能改善普通混凝土和鋼纖維混凝土的高溫抗壓強(qiáng)度。Mohammed B S等[6]研究了NS對(duì)粉煤灰部分替代水泥的透水混凝土性能的影響, 研究發(fā)現(xiàn)NS改性透水混凝土的抗壓強(qiáng)度有所提高, 而對(duì)其孔隙率和滲透性無(wú)不利影響。Jalal M等[7]研究了NS摻量對(duì)高性能自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響, 從微觀結(jié)構(gòu)上看, 摻入NS的混凝土, 特別是較長(zhǎng)齡期時(shí), 其孔隙結(jié)構(gòu)更加細(xì)化致密, 混凝土強(qiáng)度得到提高。NS摻入混凝土中后, 良好的填充效果使得混凝土的密實(shí)度有所提高, 加之NS具有很高的活性, 與水化產(chǎn)物結(jié)合在一起形成新的水化硅酸鈣凝膠相, 同時(shí)NS可以消耗一部分Ca (OH) 2, 促進(jìn)水泥水化, 使得混凝土的力學(xué)性能有所提高。但由于NS對(duì)混凝土性能改善的作用機(jī)理目前尚未完全研究透徹, 例如NS的合理?yè)搅? 不同學(xué)者的研究結(jié)果也不盡一致。

　　1.2、 納米碳酸鈣對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

　　納米碳酸鈣 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)NC) 又稱(chēng)超細(xì)碳酸鈣, 廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、涂料行業(yè)等。NC雖然活性較低, 但由于其粒徑為納米級(jí), 依然具有納米材料的一些共性?xún)?yōu)點(diǎn)和性能, 加之其低廉的價(jià)格, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了不少采用NC進(jìn)行改性混凝土的研究工作。

　　張茂花等[8]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), NC的摻入改變了混凝土的微觀結(jié)構(gòu), 有利于促進(jìn)水泥水化, 從而改善混凝土的抗壓強(qiáng)度, 最佳摻量為1%。周艷華[9]對(duì)不同NC摻量的粉煤灰混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究, 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 摻加適量的NC可以改善混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度。仵鵬濤等[10]研究發(fā)現(xiàn), 在混凝土中摻加適量的NC, 在一定程度上可以提高超高性能混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓、劈裂強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子。Xu Q L等[11]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), NC摻量在1%和2%時(shí), 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度下, 混凝土的強(qiáng)度可分別提高13%和18%, 而在低溫養(yǎng)護(hù)條件下時(shí)則可分別提高17%和14%。Supit S W M等[12]研究了NC對(duì)大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度的影響, 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), NC的摻入使混凝土內(nèi)部形成了額外的硅酸鈣水化產(chǎn)物, 微觀結(jié)構(gòu)更加致密, 1%摻量的NC可提高混凝土的早期及28 d抗壓強(qiáng)度。

　　1.3、 其他納米材料

　　隨著納米材料制備技術(shù)的不斷發(fā)展, 納米材料的種類(lèi)也越來(lái)越多, 如納米二氧化鈦 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)NT) 、納米Fe2O3和納米Al2O3等。學(xué)者們關(guān)于他們?cè)诨炷亮W(xué)性能方面的影響也展開(kāi)了相關(guān)研究。

　　Jalal M等[13]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NT的摻入, 可加速C-S-H凝膠的形成, 從而提高混凝土試件的抗彎強(qiáng)度, 同時(shí)TiO2納米粉體還可以使孔隙分布更加優(yōu)化, 減少有害孔隙, 從而改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。Deng Z Y[14]對(duì)在普通養(yǎng)護(hù)條件下?lián)絅T的混凝土進(jìn)行了試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)NT的摻入可以在一定程度上改善混凝土的抗壓性能。朱靖塞等[15]人研究了納米Fe2O3對(duì)混凝土力學(xué)等性能的影響, 研究發(fā)現(xiàn), 納米Fe2O3顆粒可以將水化產(chǎn)物吸附在其周?chē)纬尚碌闹鶢罹W(wǎng)絡(luò), 提高了水泥石的密實(shí)度, 改善了混凝土的強(qiáng)度和韌性。朱從進(jìn)等[16]研究了納米Al2O3對(duì)混凝土靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響, 研究表明, 納米Al2O3提高了水泥硬化漿體的密實(shí)度, 對(duì)混凝土界面過(guò)渡區(qū)有很好的改善作用, 從而使混凝土的強(qiáng)度和韌性得到顯著改善。劉洋洋等[17]研究了摻入改性碳納米管的混凝土的力學(xué)性能, 研究表明, 當(dāng)水灰比一定時(shí), 隨著碳納米管摻量的增加, 其抗壓強(qiáng)度和抗裂強(qiáng)度均有所增加, 但當(dāng)其摻量超過(guò)0.3%時(shí), 混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗裂強(qiáng)度反而降低。

　　大量研究表明, 納米材料可以在一定程度上改善混凝土的力學(xué)性能, 如抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等。但還有以下問(wèn)題需要注意或作進(jìn)一步研究: (1) 納米材料的均勻分散是難點(diǎn), 目前關(guān)于分散環(huán)節(jié)研究還不夠清晰, 分散方法 (如混摻外加劑、超聲分散、添加分散劑) 尚未有標(biāo)準(zhǔn)可遵循, 還未找到一種效果較好的分散方法; (2) 納米材料加入混凝土中后, 多數(shù)都對(duì)混凝土流動(dòng)性有不利影響, 在當(dāng)今實(shí)際工程施工中對(duì)混凝土流動(dòng)性要求較高的現(xiàn)狀下, 協(xié)調(diào)兩者之間的關(guān)系顯得尤為重要; (3) 納米材料粒徑的大小對(duì)混凝土性能的影響不可忽視, 但現(xiàn)有的文獻(xiàn)中所選用的納米材料粒徑各異, 目前在此方面缺乏研究; (4) 不同納米材料混摻后對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響目前鮮見(jiàn)報(bào)道; (5) 對(duì)納米混凝土高溫后力學(xué)性能的研究開(kāi)展的較少。

　　2、 納米材料對(duì)混凝土耐久性能的影響

　　2.1、 NS對(duì)混凝土耐久性能的影響

　　Chithra S等[18]研究了NS對(duì)高性能混凝土抗氯離子滲透能力的影響, 通過(guò)氯離子滲透試驗(yàn)可知, NS的摻入可提高混凝土的抗?jié)B性能。張鵬等[19]研究了NS對(duì)混凝土抗碳化性能的影響, 結(jié)果表明, 適量的NS (7%) 可以提高混凝土的抗碳化性能, 但若過(guò)量則對(duì)混凝土的抗碳化性能不利。Atmaca N等[20]研究了NS對(duì)高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土透氣性、耐久性的影響, 結(jié)果表明, 納米材料的摻入降低了混凝土的吸水率和透氣性。梅軍帥等[21]利用X射線衍射、SEM電鏡掃描等手段研究了NS改性砂漿對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響, 研究表明, NS改性的砂漿致密性提高, 可以有效改善混凝土的抗氯離子滲透能力。于文勇、孫凌等[22,23]通過(guò)抗凍試驗(yàn)研究了NS對(duì)橋梁混凝土抗鹽凍性能的影響, 研究表明, NS與混凝土水化產(chǎn)物大量健合, 改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu), 使其更加密實(shí), 較大幅度地增強(qiáng)了混凝土的抗鹽凍剝蝕性能。Yu W Y等[24]通過(guò)對(duì)普通混凝土和粉煤灰NS混凝土抗凍性的研究發(fā)現(xiàn), NS的摻入可以顯著提高混凝土的抗凍性。

　　2.2、 NC對(duì)混凝土耐久性能的影響

　　王德志等[25]研究了NC對(duì)混凝土抗凍性能的影響, 結(jié)果表明, 納米級(jí)礦物摻合料通過(guò)改善水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu), 顯著提高了混凝土的抗凍性。張茂花等[8]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)NC摻量為1%時(shí), 混凝土的抗硫酸鹽性能效果最佳。姚福貴等[26]通過(guò)實(shí)例分析了NC對(duì)道路混凝土抗?jié)B及抗凍性能的影響, 研究表明, 摻入NC可以使混凝土中孔隙量減少, 大大提高了道路混凝土的抗?jié)B性和抗凍性能。霍建梅等[27]研究了NC對(duì)橡膠再生混凝土干濕腐蝕循環(huán)性能的影響, 研究表明, NC可以改善橡膠再生混凝土的密實(shí)度進(jìn)而提高其耐干濕腐蝕循環(huán)性能。周艷華[9]通過(guò)凍脹循環(huán)試驗(yàn)對(duì)不同NC摻量的粉煤灰混凝土的抗凍性能進(jìn)行了研究, 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 摻加納米材料有效填充了混凝土的孔隙, 改善了混凝土的抗凍性能。Qian K L等[28]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻入NC可以有效填充孔隙, 密實(shí)混凝土, 顯著改善粉煤灰混凝土的抗碳化性能和抗氯離子滲透性能, 但對(duì)粉煤灰混凝土的收縮率影響不大。

　　2.3、 其他納米材料對(duì)混凝土耐久性能的影響

　　Martins T等[29]通過(guò)浸泡吸水、測(cè)試超聲波脈沖速度、電阻率、氯離子擴(kuò)散速率和抗硫酸鹽侵蝕等試驗(yàn), 研究了NT和粉煤灰對(duì)高性能混凝土力學(xué)和耐久性能的影響, 試驗(yàn)表明, 摻加1%NT和30%粉煤灰的混凝土具有較好的耐久性能。李庚英等[30]研究了在一定含量氯鹽環(huán)境下?lián)饺胩技{米管對(duì)鋼筋混凝土耐氯鹽腐蝕性能的影響, 結(jié)果表明, 少量碳納米管會(huì)降低鋼筋混凝土的導(dǎo)電性, 從而防止鋼筋腐蝕;但當(dāng)摻量較多時(shí)反而適得其反, 混凝土的耐氯鹽腐蝕性能不增反降。王亞民[31]研究了摻納米ZnO混凝土的耐久性問(wèn)題, 研究結(jié)果表明, 納米ZnO附著在水化物表面, 使得混凝土的孔隙變大, 加劇了SO42-的滲入與擴(kuò)散, 降低了混凝土的耐硫酸鹽腐蝕性能。Vazinram F等[32]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)納米ZnO2能降低混凝土的吸水率, 提高混凝土的耐久性。

　　研究表明, 適量納米材料的添加有效提高了混凝土的耐久性能, 但目前的研究還存在一些問(wèn)題: (1) 多數(shù)學(xué)者在研究納米混凝土?xí)r會(huì)添加一種或多種外加劑或者分散劑, 這些外加劑與納米材料之間的相互作用對(duì)混凝土的耐久性能是否有影響, 有何影響目前尚不知曉; (2) 納米材料的確可以提高混凝土耐久性某一方面的性能, 但對(duì)混凝土綜合耐久性能的影響尚需系統(tǒng)深入研究; (3) 納米混凝土高溫后耐久性能相關(guān)的研究工作較少, 需作進(jìn)一步研究。

　　3、 納米材料對(duì)混凝土其它性能的影響

　　Yekkalar M等[33]采用環(huán)境生命周期評(píng)估法對(duì)摻NS混凝土的環(huán)境功能進(jìn)行了評(píng)價(jià), 結(jié)果表明, 使用1.5%的NS可使混凝土的壽命周期成本降低10%, 并可降低全球變暖指數(shù)。Wu Z M等[34]通過(guò)試驗(yàn)研究了NC對(duì)2%鋼纖維增強(qiáng)超高性能混凝土 (UHPC) 微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展、纖維-基體界面黏結(jié)性能的影響, 結(jié)果表明, 摻入3.2%的NC后, UHPC的纖維-基體結(jié)合性能得到明顯改善, 主要是由于納米材料的加入使得界面更加致密;但當(dāng)含量超過(guò)3.2%時(shí), 由于NC出現(xiàn)團(tuán)聚情況導(dǎo)致混凝土孔隙率增加, UHPC的纖維結(jié)合力反而出現(xiàn)下降。納米TiO2屏蔽紫外線作用強(qiáng), 具有良好的分散性和耐候性, 具有抗菌、自潔凈和抗老化性能, 應(yīng)用于混凝土中可以降解汽車(chē)尾氣排放的氮氧化物等。何柳等[35]研究了NT摻量等對(duì)混凝土電磁吸波性能的影響, 研究表明, NT的摻入改變了混凝土的電磁參數(shù), 影響了混凝土與自由空間的波阻抗匹配, 進(jìn)而影響了混凝土的電磁波反射率。田浩[36]研究了NT光催化混凝土的制備及其光催化去除NO的性能, 研究表明, 將NT摻入混凝土中可以充分利用光催化去除NO。

　　隨著社會(huì)的發(fā)展, 人們對(duì)混凝土性能提出越來(lái)越高的要求, 在這種要求下一些具有特殊功能的特種混凝土應(yīng)運(yùn)而生, 不同種類(lèi)的納米材料對(duì)混凝土?xí)a(chǎn)生不同的影響, 在如何合理選擇納米材料從而生產(chǎn)出具有特殊功能的混凝土方面, 需要深入研究。

　　3、 結(jié)論及展望

　　(1) 本文主要介紹目前NS、NC及其其他納米材料在混凝土中的應(yīng)用研究情況, 通過(guò)研究現(xiàn)有成果發(fā)現(xiàn), 在納米材料摻量適宜的情況下, 納米粒子可以填充混凝土內(nèi)部的孔隙, 提高混凝土的密實(shí)度, 改善混凝土的物理性能, 從而提高混凝土的強(qiáng)度及耐久性能;同時(shí)納米材料的加入提高了水泥的水化速度, 對(duì)混凝土早期強(qiáng)度有利;部分納米材料還具有光催化、抗菌和抗老化等作用, 可以應(yīng)用于一些有特殊功能要求的混凝土 (如自感知混凝土、自修復(fù)混凝土、抗菌混凝土和綠色混凝土等) 中。

　　(2) 雖然目前納米材料在混凝土中的應(yīng)用研究還存在不少的問(wèn)題, 但相信隨著研究的深入及納米材料種類(lèi)、功能的增多, 其將會(huì)更多的應(yīng)用到實(shí)際工程中去。

　　參考文獻(xiàn)：

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