納米材料對混凝土綜合性能的改變研究

　　摘 要：　綜述了目前國內外學者對納米二氧化硅、納米碳酸鈣、納米二氧化鈦等納米材料在混凝土中的應用及對混凝土力學性能、耐久性能等方面影響的研究進展, 總結了目前納米材料在研究及應用中存在的主要問題, 并提出了需要進一步深入研究的建議, 展望了納米材料在混凝土中應用的發展前景。

　　關鍵詞：　納米SiO2; 納米CaCO3; 納米TiO2; 力學性能; 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、強氧化性等一些特殊性質。混凝土是目前建筑行業中使用最廣泛的材料之一。普通混凝土剛性大而柔度小, 同時由于自身存在的一些天然缺陷, 混凝土在使用過程中經常出現開裂等現象, 甚至引起結構破壞。目前, 提高混凝土性能的常用方法之一是材料的復合化。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、力學等方面性能。國內外學者將不同的納米材料 (如納米SiO2、CaCO3、TiO2等) 加入混凝土中, 并對其力學及耐久等性能進行了大量的研究, 并取得了豐富的成果。但依然存在一些研究不成熟的地方, 需要繼續進行深入系統的試驗研究和理論分析。本文就近些年有關納米材料對混凝土性能的影響研究內容進行綜述, 對目前納米材料混凝土研究中出現的問題及需要進一步進行的研究提出意見和建議。

　　1、 納米材料對混凝土力學性能的影響

　　1.1、 納米二氧化硅對混凝土力學性能的影響

　　納米二氧化硅 (以下簡稱NS) 粒徑小、比表面積大、穩定性和純度高, 具有比硅灰更強的火山灰活性, 能提高水泥的水化反應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, 成為眾多科技工作者研究關注的重點。

　　NS摻入混凝土中后, 良好的填充效果使得混凝土的密實度有所提高, 加之NS具有很高的活性, 與水化產物結合在一起形成新的水化硅酸鈣凝膠相, 同時NS可以消耗一部分Ca (OH) 2, 促進水泥水化, 使得混凝土的力學性能有所提高。鄭俊穎等[1]研究了不同摻量NS混凝土的抗壓、劈拉強度, 研究發現, 當NS摻量為0～1.5%時, 混凝土的抗壓強度顯著增加, 且隨NS摻量的增加而逐漸提高, 但對混凝土的劈拉強度影響不大。陳堅等[2]研究了NS對鋼纖維混凝土抗壓性能的影響, 結果表明, NS摻量在一定范圍時能提高鋼纖維混凝土的抗壓強度, 尤其是早期抗壓強度。梁博等[3]對摻NS的普通混凝土和超細粉煤灰混凝土進行了抗壓和劈拉試驗, 結果表明, 對普通混凝土來說, NS的適宜摻量為0.8%, 而對超細粉煤灰混凝土而言, NS的適宜摻量則為1.0%。Amin M等[4]研究了不同摻量NS等對混凝土抗壓、劈拉、抗折強度和彈性模量的影響, 結果表明, 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度, 研究發現, NS能改善普通混凝土和鋼纖維混凝土的高溫抗壓強度。Mohammed B S等[6]研究了NS對粉煤灰部分替代水泥的透水混凝土性能的影響, 研究發現NS改性透水混凝土的抗壓強度有所提高, 而對其孔隙率和滲透性無不利影響。Jalal M等[7]研究了NS摻量對高性能自密實混凝土力學性能的影響, 從微觀結構上看, 摻入NS的混凝土, 特別是較長齡期時, 其孔隙結構更加細化致密, 混凝土強度得到提高。NS摻入混凝土中后, 良好的填充效果使得混凝土的密實度有所提高, 加之NS具有很高的活性, 與水化產物結合在一起形成新的水化硅酸鈣凝膠相, 同時NS可以消耗一部分Ca (OH) 2, 促進水泥水化, 使得混凝土的力學性能有所提高。但由于NS對混凝土性能改善的作用機理目前尚未完全研究透徹, 例如NS的合理摻量, 不同學者的研究結果也不盡一致。

　　1.2、 納米碳酸鈣對混凝土力學性能的影響

　　納米碳酸鈣 (以下簡稱NC) 又稱超細碳酸鈣, 廣泛應用于塑料工業、涂料行業等。NC雖然活性較低, 但由于其粒徑為納米級, 依然具有納米材料的一些共性優點和性能, 加之其低廉的價格, 國內外學者也進行了不少采用NC進行改性混凝土的研究工作。

　　張茂花等[8]通過試驗發現, NC的摻入改變了混凝土的微觀結構, 有利于促進水泥水化, 從而改善混凝土的抗壓強度, 最佳摻量為1%。周艷華[9]對不同NC摻量的粉煤灰混凝土的力學性能進行了研究, 試驗發現, 摻加適量的NC可以改善混凝土的抗壓強度和劈裂強度。仵鵬濤等[10]研究發現, 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態抗壓、劈裂強度和動態增強因子。Xu Q L等[11]通過試驗發現, NC摻量在1%和2%時, 標準養護溫度下, 混凝土的強度可分別提高13%和18%, 而在低溫養護條件下時則可分別提高17%和14%。Supit S W M等[12]研究了NC對大摻量粉煤灰混凝土抗壓強度的影響, 試驗發現, NC的摻入使混凝土內部形成了額外的硅酸鈣水化產物, 微觀結構更加致密, 1%摻量的NC可提高混凝土的早期及28 d抗壓強度。

　　1.3、 其他納米材料

　　隨著納米材料制備技術的不斷發展, 納米材料的種類也越來越多, 如納米二氧化鈦 (以下簡稱NT) 、納米Fe2O3和納米Al2O3等。學者們關于他們在混凝土力學性能方面的影響也展開了相關研究。

　　Jalal M等[13]通過試驗發現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度, 同時TiO2納米粉體還可以使孔隙分布更加優化, 減少有害孔隙, 從而改善混凝土的微觀結構。Deng Z Y[14]對在普通養護條件下摻NT的混凝土進行了試驗, 發現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對混凝土力學等性能的影響, 研究發現, 納米Fe2O3顆粒可以將水化產物吸附在其周圍形成新的柱狀網絡, 提高了水泥石的密實度, 改善了混凝土的強度和韌性。朱從進等[16]研究了納米Al2O3對混凝土靜動態力學性能的影響, 研究表明, 納米Al2O3提高了水泥硬化漿體的密實度, 對混凝土界面過渡區有很好的改善作用, 從而使混凝土的強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性能, 研究表明, 當水灰比一定時, 隨著碳納米管摻量的增加, 其抗壓強度和抗裂強度均有所增加, 但當其摻量超過0.3%時, 混凝土的抗壓強度和抗裂強度反而降低。

　　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性能, 如抗壓強度、劈拉強度、抗彎強度等。但還有以下問題需要注意或作進一步研究: (1) 納米材料的均勻分散是難點, 目前關于分散環節研究還不夠清晰, 分散方法 (如混摻外加劑、超聲分散、添加分散劑) 尚未有標準可遵循, 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, 多數都對混凝土流動性有不利影響, 在當今實際工程施工中對混凝土流動性要求較高的現狀下, 協調兩者之間的關系顯得尤為重要; (3) 納米材料粒徑的大小對混凝土性能的影響不可忽視, 但現有的文獻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混凝土力學性能的影響目前鮮見報道; (5) 對納米混凝土高溫后力學性能的研究開展的較少。

　　2、 納米材料對混凝土耐久性能的影響

　　2.1、 NS對混凝土耐久性能的影響

　　Chithra S等[18]研究了NS對高性能混凝土抗氯離子滲透能力的影響, 通過氯離子滲透試驗可知, NS的摻入可提高混凝土的抗滲性能。張鵬等[19]研究了NS對混凝土抗碳化性能的影響, 結果表明, 適量的NS (7%) 可以提高混凝土的抗碳化性能, 但若過量則對混凝土的抗碳化性能不利。Atmaca N等[20]研究了NS對高強輕質混凝土透氣性、耐久性的影響, 結果表明, 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]通過抗凍試驗研究了NS對橋梁混凝土抗鹽凍性能的影響, 研究表明, NS與混凝土水化產物大量健合, 改善了混凝土的微觀結構, 使其更加密實, 較大幅度地增強了混凝土的抗鹽凍剝蝕性能。Yu W Y等[24]通過對普通混凝土和粉煤灰NS混凝土抗凍性的研究發現, NS的摻入可以顯著提高混凝土的抗凍性。

　　2.2、 NC對混凝土耐久性能的影響

　　王德志等[25]研究了NC對混凝土抗凍性能的影響, 結果表明, 納米級礦物摻合料通過改善水化產物的微觀結構, 顯著提高了混凝土的抗凍性。張茂花等[8]通過試驗發現當NC摻量為1%時, 混凝土的抗硫酸鹽性能效果最佳。姚福貴等[26]通過實例分析了NC對道路混凝土抗滲及抗凍性能的影響, 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滲性和抗凍性能。霍建梅等[27]研究了NC對橡膠再生混凝土干濕腐蝕循環性能的影響, 研究表明, NC可以改善橡膠再生混凝土的密實度進而提高其耐干濕腐蝕循環性能。周艷華[9]通過凍脹循環試驗對不同NC摻量的粉煤灰混凝土的抗凍性能進行了研究, 試驗發現, 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]通過試驗發現摻入NC可以有效填充孔隙, 密實混凝土, 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, 但對粉煤灰混凝土的收縮率影響不大。

　　2.3、 其他納米材料對混凝土耐久性能的影響

　　Martins T等[29]通過浸泡吸水、測試超聲波脈沖速度、電阻率、氯離子擴散速率和抗硫酸鹽侵蝕等試驗, 研究了NT和粉煤灰對高性能混凝土力學和耐久性能的影響, 試驗表明, 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境下摻入碳納米管對鋼筋混凝土耐氯鹽腐蝕性能的影響, 結果表明, 少量碳納米管會降低鋼筋混凝土的導電性, 從而防止鋼筋腐蝕;但當摻量較多時反而適得其反, 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混凝土的耐久性問題, 研究結果表明, 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-的滲入與擴散, 降低了混凝土的耐硫酸鹽腐蝕性能。Vazinram F等[32]通過研究發現納米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題: (1) 多數學者在研究納米混凝土時會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, 但對混凝土綜合耐久性能的影響尚需系統深入研究; (3) 納米混凝土高溫后耐久性能相關的研究工作較少, 需作進一步研究。

　　3、 納米材料對混凝土其它性能的影響

　　Yekkalar M等[33]采用環境生命周期評估法對摻NS混凝土的環境功能進行了評價, 結果表明, 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。Wu Z M等[34]通過試驗研究了NC對2%鋼纖維增強超高性能混凝土 (UHPC) 微觀結構發展、纖維-基體界面黏結性能的影響, 結果表明, 摻入3.2%的NC后, UHPC的纖維-基體結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;但當含量超過3.2%時, 由于NC出現團聚情況導致混凝土孔隙率增加, UHPC的纖維結合力反而出現下降。納米TiO2屏蔽紫外線作用強, 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, 應用于混凝土中可以降解汽車尾氣排放的氮氧化物等。何柳等[35]研究了NT摻量等對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, 影響了混凝土與自由空間的波阻抗匹配, 進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。

　　隨著社會的發展, 人們對混凝土性能提出越來越高的要求, 在這種要求下一些具有特殊功能的特種混凝土應運而生, 不同種類的納米材料對混凝土會產生不同的影響, 在如何合理選擇納米材料從而生產出具有特殊功能的混凝土方面, 需要深入研究。

　　3、 結論及展望

　　(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用研究情況, 通過研究現有成果發現, 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部的孔隙, 提高混凝土的密實度, 改善混凝土的物理性能, 從而提高混凝土的強度及耐久性能;同時納米材料的加入提高了水泥的水化速度, 對混凝土早期強度有利;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用研究還存在不少的問題, 但相信隨著研究的深入及納米材料種類、功能的增多, 其將會更多的應用到實際工程中去。

　　參考文獻：

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