納米ZrO2對混凝土材料的影響及其研究應(yīng)用前景

郭 爽，王 紅，朱 丹，吳福飛，董雙快

(貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

1 納米ZrO2的屬性及性質(zhì)

ZrO2為鋯的主要氧化物，強(qiáng)堿性氧化物，白色無味晶體，不溶于水。ZrO2作為結(jié)構(gòu)材料具有高硬度、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、不導(dǎo)電不導(dǎo)磁、抗熱震性優(yōu)良等物理特征。在現(xiàn)有研究中已經(jīng)證明，納米ZrO2因其作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料所具有的優(yōu)秀物理性能和出色的化學(xué)熱穩(wěn)定性，被廣泛地應(yīng)用于陶瓷、核技術(shù)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。并且近年來，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)納米金屬氧化物的加入對混凝土材料的性能有較為明顯的提升作用，在一定程度上促進(jìn)了水泥基材料向高韌性方向的發(fā)展。

研究表明，納米材料所具有的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)及界面效應(yīng)都會對混凝土材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料水泥水化產(chǎn)物產(chǎn)生積極影響，從而使混凝土材料的致密性和耐久性能都得以提高。并且，納米ZrO2除了具備納米材料所具備的相關(guān)性質(zhì)外，還具有獨特的晶相變化，從而使得納米ZrO2對混凝土材料的影響較之其他納米金屬氧化物而言，性能提升作用更強(qiáng)，實驗效果更佳。因此，將納米ZrO2作為提升混凝土材料性能的外加物進(jìn)行研究也更具可觀效果。

2 納米ZrO2對混凝土性能的影響

為了探究納米ZrO2及其他納米金屬氧化物對水泥基材料的影響作用并比較它們的作用效果的大小。筆者將6種納米金屬氧化物以等質(zhì)量(1%)替代水泥的方式制備水泥基材料試件，并且通過抗折抗壓實驗，得到相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)，以此探究納米金屬氧化物對水泥基材料的影響作用及區(qū)別6種納米金屬氧化物對水泥基材料貢獻(xiàn)大小。

1%的納米金屬氧化物摻入水泥基材料中制備試件，在齡期為3、7、28、90 d內(nèi)對水泥基材料的力學(xué)性能影響作用如圖1所示。通過圖1(a)可以看出，6種納米金屬氧化物對于水泥基材料的抗折強(qiáng)度都有提升作用，且從圖1(a)中可知，納米ZrO2相較于其他5種納米金屬氧化物而言，它在各個齡期內(nèi)對水泥基材料抗折強(qiáng)度的提升作用都是最好的。從圖1(b)可以看出，雖然納米ZrO2對水泥基材料抗壓強(qiáng)度的提升作用并不是最強(qiáng)的，但是相較于其他納米金屬氧化物而言，納米ZrO2的提升作用優(yōu)于其他4種納米金屬氧化物且與作用最好的Fe3O4不相上下。因此從實驗結(jié)果可以看出，納米ZrO2在水泥基材料的性能提升方面的作用較之其他納米氧化物而言，具有較為優(yōu)異的作用。

(a)抗折強(qiáng)度

通過吳福飛等[1]對不同摻量的納米水泥基材料進(jìn)行了研究，實驗通過將六種納米材料(AL2O3、CuO、ZrO2、MgO、Fe2O3及Fe3O4)以等質(zhì)量(2%、4%)替代水泥的方式，制備水泥基材料，并對水泥基材料抗折抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，得到相關(guān)實驗數(shù)據(jù)見圖2～3。實驗數(shù)據(jù)引用如下。

水泥基材料抗折強(qiáng)度變化如圖2所示，6種納米金屬氧化物摻入水泥基材料后都提高了水泥基材料的抗折強(qiáng)度，其中，在同等摻量(2%)下，納米ZrO2對水泥基材料的抗折強(qiáng)度影響最大，摻入納米ZrO2的實驗組對比空白對照組抗折強(qiáng)度顯著增加，增幅可達(dá)到35%以上。這與本文的1%摻量下納米金屬氧化物實驗結(jié)果是一致的。同樣，由圖3可以看出，在一定齡期內(nèi)，納米ZrO2對水泥基材料的抗壓強(qiáng)度的提升作用也優(yōu)于其他5種納米金屬氧化物實驗組及實驗空白對照組。吳福飛等的實驗數(shù)據(jù)充分說明了即使在不同的摻量下，納米ZrO2對水泥基材料力學(xué)性能的提升作用都較其他種類納米金屬氧化物優(yōu)秀。

(a)摻量2%

(b)摻量4%

(a)摻量2%

(b)摻量4%

叢日竹等[2]在研究水泥中摻入納米ZrO2進(jìn)行水泥凈漿實驗和砂漿實驗研究時發(fā)現(xiàn)，由于納米ZrO2的“比表面效應(yīng)”及“小尺寸效應(yīng)”，同時研究發(fā)現(xiàn)納米ZrO2還具有誘導(dǎo)水化作用，作用于水泥基材料使得水泥基材料的水泥水化過程生成了更多的C-S-H凝膠和其他物質(zhì)，從而使水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，以此提高水泥漿體力學(xué)性能。

通過大量文獻(xiàn)的參考可以發(fā)現(xiàn)，近年來的研究成果中有足夠多的實驗數(shù)據(jù)證明，在混凝土材料中摻入納米ZrO2，對混凝土材料性能有著積極影響作用，并且相較于其他納米金屬氧化物而言，納米ZrO2的作用效果更好，性能提升效果更強(qiáng)。

3 納米ZrO2在混凝土中的作用機(jī)理

從相關(guān)研究納米金屬氧化物對于混凝土材料的作用機(jī)理探究實驗中可以得到相關(guān)的理論看法。其中，呂鵬飛等[3]論述了納米材料改性混凝土的作用機(jī)理，即納米材料對于混凝土材料的改性作用主要體現(xiàn)如下：①納米金屬氧化物材料可以參與水泥水化過程，通過納米金屬材料的影響，降低了混凝土材料的凝結(jié)時間，提高混凝土材料的早期強(qiáng)度；②納米金屬氧化物優(yōu)化了混凝土材料水化產(chǎn)物的組成和形貌，使得混凝土材料水化生成的CHS更加密實；③納米材料的小尺寸效應(yīng)使其可以擴(kuò)散到水泥顆粒的孔隙之中，改善混凝土材料體系的顆粒級配，降低材料孔隙率。

其中ZrO2對混凝土材料影響效果較之其他納米金屬材料更佳的原因是其具有三種晶相，實驗過程中利用納米ZrO2的相變增韌機(jī)制對納米ZrO2進(jìn)行處理，再應(yīng)用于混凝土材料中就可以提高混凝土材料的力學(xué)性能，這樣的相變增韌機(jī)制也使得納米ZrO2對混凝土材料的影響作用優(yōu)于其他納米金屬氧化物混凝土材料。

ZrO2作為一種多晶相體系物質(zhì)[3]，其晶相結(jié)構(gòu)對其理化性質(zhì)有著較大的影響。在常壓下ZrO2存在三種晶態(tài)：單斜相、四方相及立方相，通過技術(shù)手段操作使ZrO2不穩(wěn)定晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的晶相，即通過物理化學(xué)方法[4]使得不穩(wěn)定狀態(tài)的高溫相四方晶型、立方晶型結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆相變，轉(zhuǎn)變成室溫下穩(wěn)定狀態(tài)的四方或立方晶型ZrO2，通過晶型轉(zhuǎn)變后得到不可逆的穩(wěn)定晶型ZrO2，再將穩(wěn)定態(tài)納米ZrO2加入混凝土材料中就能使ZrO2材料發(fā)揮出更為可觀的性能提升作用。

4 未來研究應(yīng)用重點及前景展望

近年來，納米ZrO2作為新興材料在混凝土材料性能提升方面的研究恰逢其時，但是，在充分肯定納米ZrO2對混凝土材料的貢獻(xiàn)及作用的同時，我們對它在具體實驗應(yīng)用中所存在的問題也需給予足夠的重視，研究過程中納米ZrO2在水泥基材料中存在的團(tuán)聚現(xiàn)象并未得到解決，同時納米ZrO2相關(guān)的作用機(jī)理尚未完全明確，這些都是混凝土材料發(fā)展中對于納米ZrO2研究所要關(guān)注的問題。此外，對于納米ZrO2微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)用性能的探究也都應(yīng)該成為納米ZrO2未來需要解決的問題及研究重點。

隨著超高、超強(qiáng)建筑的發(fā)展，高性能的混凝土材料成為市場需求重點。納米材料制備高性能混凝土材料也將是未來混凝土材料研究創(chuàng)新的重要方向，相信隨著納米混凝土材料技術(shù)的成熟與完善，納米ZrO2在水泥基材料中的應(yīng)用也將迎來更為可觀的前景。

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