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纳米材料与混凝土的结合激发无限可能!

作者: ln来源: 中国混凝土外加剂网2019/01/11 17:06:10

随着工程结构各方面的发展因素和混凝土材料界的迅速扩大,人们对混凝土结构材料的要求在不断地提高。具有诸多独特效应的纳米材料掺入混凝土中可改善混凝土的力学韧性、智能传感、抗渗耐久等性能。纳米技术将打破了传统混凝土的局限,给混凝土材料带来了崭新的生命力。


1 纳米金属(氧化物)在水泥混凝土中的应用

拥有巨大的比表面积及界面结构的纳米金属(氧化物)对外界环境十分敏感。这些特性使纳米金属(氧化物)能成为应用于传感、电化学、气体吸附、光催化等方面的填充涂层材料,进而应用于某些特殊工程以及有特殊要求的混凝土工程,譬如智能混凝土和环保混凝土等。

纳米 TiO2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。事实上,拥有光催化相应的半导体材料很多,但是从产品成本、光催化效率和健康环保等角度考虑,目前最佳的还是锐钛矿型纳米 TiO2。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。


纳米TiO2结构图

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,有效参与水泥的水化过程,使水泥混凝土结构更加紧凑,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。不过以现在的制备工艺制得的纳米 Al2O3的价格昂贵,纳米Al2O3在混凝土中的研究还是相对较少,只能用在有特殊要求的建筑设施中。

2 碳质纳米材料在混凝土中的应用研究

作为准一维拥有独特的结构特征纳米材料,碳纳米管(CNT)具有奇异的力学、电学、介电/电磁学、热学等诸多性能。国内外诸多学者尝试了多种分散制备工艺,将 CNT用作结构增强及功能增强组分引入到传统的水泥混凝土基体材料中,最终制备出一种 CNT 改性的纳米混凝土。由于 CNT 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 。

碳纳米管

3 无机非金属纳米材料在混凝土中的应用研究

纳米 SiO2又称为超细硅灰,它能很好地改善水泥混凝土各项性能。纳米 SiO2能促进水泥颗粒的水化,将水泥水化早期产物CaOH2转变成 C-S-H 凝胶,火山灰活性远超过普通硅灰,进而使硬化水泥混凝土界面过渡区 CaOH2晶体尺寸有效减小,相应微观形貌变得紧密,力学强度和抗渗耐久性得到有效改善。由于纳米SiO2的表面能较高及网状结构成核效应,能有效加速混凝土早期水化,还能与水泥石中的水化产物 CaOH2形成化合键,实现二次水化,形成新的 C-S-H 凝胶,所以当纳米SiO2作为矿物掺合料掺加到水工混凝土中后,可有效提升水工混凝土的微观密实度,进而早期力学性能、弹性模量及抗渗耐久性也得到有效提升。


二氧化硅气凝胶

处于纳米尺度的纳米 CaCO3由于自身惰性,基本不会与混凝土体系发生化学反应,但能极大地提升掺有纳米 CaCO3混凝土拌合物诸如黏聚性和保水性等和易性,而且纳米CaCO3来源广泛,价格低廉,因此,纳米CaCO3有可能成为在混凝土建筑中大量应用的纳米材料,基于纳米CaCO3的纳米混凝土也得到有效推广。

纳米材料的掺入一方面能提高水泥混凝土材料的机械性能,降低相应混凝土内部变形及裂缝的开展;另一方面可显著增强水泥混凝土材料的物理性能,譬如耐磨耗性、导电性、导热性、压阻智能性、阻尼自增强性等,使水泥混凝土基材料向高性能和多功能方向发展。然而,还有很多纳米材料在混凝土中的性能还尚未开 发,且多种纳米材料在混凝土中复掺方法及效能的相关研究还很少。不难预计,随着纳米材料科技的飞速发展,纳米材料及纳米混凝土的研究将持续成为国内外混凝土材料研究领域的热点,从而使混凝土行业得到更好的发展。

 

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