納米材料增強(qiáng)水泥基材料性能研究

王洪波

(黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

隨著工程結(jié)構(gòu)各方面的發(fā)展要素和混凝土材料的急速擴(kuò)大，混凝土憑借著低成本、取材方便以及使用可靠性等優(yōu)點(diǎn)，被人們所認(rèn)可和接受。隨著人們?cè)诮ㄖ徒煌ㄔO(shè)施中大量使用混凝土結(jié)構(gòu)，加速了基礎(chǔ)建設(shè)的進(jìn)程。但其實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)本身有脆弱性大，韌性不足，自重力大，極度延伸率低[1]，耐久性不好，結(jié)構(gòu)容易突然破壞等缺點(diǎn)。所以，研究人員決定摻加部分獨(dú)特效果的納米材料在混凝土中，使得力學(xué)性能、智能傳感以及抗凍抗?jié)B性得到了改善。納米材料的廣泛應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)建筑行的業(yè)技術(shù)壁壘，成為土建行業(yè)的焦點(diǎn)。

1 常見納米材料

一般來說，納米材料是指其晶粒大小介于1～10 nm范圍之間的結(jié)構(gòu)材料[2]。由于比表面積大，表面能高等優(yōu)點(diǎn)，使其在熔點(diǎn)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等性能上往往優(yōu)于其同物質(zhì)非納米材料。納米級(jí)新材料已在國防、電子、輕重工業(yè)、化學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其中納米SiO2和納米CaCO3材料應(yīng)用更為廣泛，被認(rèn)為是“21世紀(jì)最有前途的材料”[3]。

1.1 納米二氧化硅

納米SiO2(NS)粒徑很小，具有很強(qiáng)的火山灰活性和成核效應(yīng)。理論上說，NS是活性混合材料，完全可以用于混凝土制造，但是，由于NS的高成本、分散困難，因此作為水泥基摻合料的實(shí)用性備受關(guān)注。

Durgun M Y等[4]以三種不同粒徑和摻量的納米SiO2(CNS)作為摻合料，研究其對(duì)自密實(shí)混凝土(SCC)的流動(dòng)性的影響。結(jié)果表明，CNS的使用是降低SCC混合料細(xì)料總量的一種非常有效的方法，且CNS的平均粒徑越小，其有效性越強(qiáng)。在流動(dòng)性能方面上，對(duì)于35nm、17nm和5nm的三種粒徑大小的CNS最佳摻量分別為1.5%、1.0%和0.3%。

為降低普通硅酸鹽水泥的用量，研究人員致力于研制堿活化膠凝劑。然而，黏結(jié)劑的關(guān)鍵工程性能不僅取決于堿性活化劑的濃度，還取決于原料的化學(xué)成分和細(xì)度。為了改善堿活化混凝土的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，提高其機(jī)械強(qiáng)度，Mohamed Ibrahim等[5]提出用納米SiO2部分取代天然火山灰，測(cè)定了堿活化砂漿的凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)性，監(jiān)測(cè)了60℃養(yǎng)護(hù)后混凝土抗壓強(qiáng)度，并通過SEM和XRD技術(shù)分析其微觀形貌和物相信息。結(jié)果表明，在混凝土中摻入5%納米SiO2，其抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)特征均有較大改善；硅酸鈉與氫氧化鈉的配比為2.5，是獲得高強(qiáng)度的適宜條件。

1.2 納米碳酸鈣

20世紀(jì)80年代納米CaCO3(NC)逐漸進(jìn)入大眾的視野，其粒徑在0.01～0.1 nm之間，由于其顆粒超微細(xì)化、晶體結(jié)構(gòu)和表面電子結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，與普通CaCO3材料相比，納米CaCO3具有量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)。

黃政宇等[6]利用收縮設(shè)備、掃描電子顯微鏡和力學(xué)測(cè)試，在微觀及宏觀結(jié)構(gòu)上，分析高性能混凝土中摻加NC后流動(dòng)性、收縮性及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著NC含量的增加，水泥漿的流動(dòng)性減小，高性能混凝土的抗壓、抗彎強(qiáng)度大幅度提高。當(dāng)水膠比為0.15時(shí)，3%高性能混凝土的抗彎強(qiáng)度為30.94 MPa，提高28.22%；從微觀的角度來看，NC的加入增加了水合產(chǎn)物，改進(jìn)了高性能混凝土的多孔結(jié)構(gòu)，減少了內(nèi)部缺陷，并使基體更緊湊。

Tao Meng等[7]在粉煤灰混凝土中摻入NC，對(duì)其力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和分析。發(fā)現(xiàn)NC的結(jié)晶程度良好,結(jié)晶粒大小在60～80 nm之間變化。在混凝土中混入NC后，NC的填充和散布作用會(huì)加速水泥的水化作用，因此早期添加粉煤灰以及不添加的混凝土抗壓強(qiáng)度都有顯著提高；與未添加NC的空白混凝土相比，添加NC的空白混凝土強(qiáng)度比明顯提高，正是因?yàn)镹C替代了2%的黏結(jié)劑，說明NC可以加速粉煤灰的水化。

由此可以看出，NS與NC由于其自身具有的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)其被加入混凝土材料后，發(fā)揮了其優(yōu)勢(shì)，改善了混凝土材料內(nèi)部缺陷，增強(qiáng)了力學(xué)性能。

2 納米金屬氧化物

目前，納米TiO2和納米MgO已被廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)中，其中納米TiO2主要用于催化領(lǐng)域，一種是主催化劑，一種是以納米為載體的負(fù)載催化劑。

2.1 納米二氧化鈦

納米TiO2，即鈦白粉，直徑<100 nm，為白色疏松粉末，有良好的超親水性、耐候性和光催化性。

Ehsan Mohseni等[8]通過在砂漿中摻入稻殼灰和納米TiO2進(jìn)行研究，得出納米二氧化鈦和稻殼灰加入水泥試樣中，抗壓強(qiáng)度增加，且在10%稻殼灰和5%納米TiO2的混合料時(shí)，其強(qiáng)度最佳；通過電阻試驗(yàn)、氯離子快速滲透和超聲波脈沖速度表明，隨著稻殼和納米二氧化鈦含量的增加，滲透性和耐久性均得到了顯著提高。

Uthaman S等[9]通過加入納米二氧化鈦和納米碳酸鈣，為了克服了傳統(tǒng)混凝土凝縮、水化滯后、早期強(qiáng)度低、碳化程度高的缺陷。為此，設(shè)計(jì)了四種不同的混凝土配合比，并澆筑了不同尺寸的試件。在水中養(yǎng)護(hù)28 d后，將試件置于海水中，分別于56、90、180和365 d時(shí)取出進(jìn)行試驗(yàn)，探究混凝土的各種性能。結(jié)果表明，摻入納米CaCO3和納米TiO2，混凝土的火山灰活性提高，水化速率加快，且當(dāng)摻量均為1%時(shí)最佳。

2.2 納米氧化鎂

研究表明，納米金屬氧化物對(duì)水泥基材料的耐久性、滲透性和抗壓強(qiáng)度是有利的，并廣泛地應(yīng)用于光學(xué)、催化等領(lǐng)域。納米MgO表面效應(yīng)明顯，也就是說，大表面面積和表面能量，使其具有良好的活性和燒結(jié)性的等特點(diǎn)。

Kai Yao等[10]為探討納米MgO對(duì)水泥強(qiáng)度特性和微結(jié)構(gòu)的影響，通過大量實(shí)驗(yàn)加以說明。結(jié)果表明，納米MgO有利于抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)，在進(jìn)一步利用電子掃描電鏡(SEM)得出，納米MgO的加入有助于組織致密化和非常均勻的固體組織的形成，增強(qiáng)其抗裂性能。

Riza Polat等[11]對(duì)納米氧化鎂水泥漿體和砂漿的力學(xué)性能、耐久性和微觀結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，納米MgO改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了水泥的抗壓強(qiáng)度。隨著其摻量的增加，材料的自收縮和凝固時(shí)間逐漸縮短。控制混合物和納米氧化鎂混合物的最終水化熱幾乎相同。

3 納米碳化物

3.1 多壁碳納米管

碳納米管(CNT)是一種輕質(zhì)量的一維納米材料，它們有不同的機(jī)械和化學(xué)性質(zhì)。其中最突出的就是它的韌性，遠(yuǎn)超于任何纖維。

Yanfeng Ruan等[12]將四種多壁碳納米管摻入活性粉末混凝土中，分別進(jìn)行了水養(yǎng)護(hù)和熱養(yǎng)護(hù)，探究其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入適當(dāng)種類和含量的多壁碳納米管可以有效地提高活性粉末混凝土的抗拉強(qiáng)度、斷裂能、抗壓強(qiáng)度/韌性和抗壓強(qiáng)度比等力學(xué)性能。一般來說，熱養(yǎng)護(hù)多壁碳納米管填充活性粉末混凝土的力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過用水養(yǎng)護(hù)，這表明熱養(yǎng)護(hù)比水養(yǎng)護(hù)更有利于改善其沖擊性能。

Waqas Latif Baloch等[13]研究了在高溫條件下多壁碳納米管混凝土的力學(xué)性能，包括抗壓能力、抗拉強(qiáng)度、壓力應(yīng)變響應(yīng)、壓縮性硬度和質(zhì)量損失。結(jié)果表明，輕質(zhì)混凝土的脆弱性可以通過加入碳納米管來改變，這使得它更容易拉伸；通過微觀結(jié)構(gòu)的研究，證明了多壁碳納米管在混凝土基體中的均勻分布，納米增強(qiáng)材料在界面兩側(cè)均存在裂紋，并對(duì)水合物進(jìn)行了分解。

3.2 氧化石墨烯

氧化石墨烯為棕黃色的水中分散性良好的非傳統(tǒng)形態(tài)氧化材料，具有優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)。

Liulei Lu等[14]對(duì)氧化石墨烯納米對(duì)摻入水泥砂漿和高強(qiáng)度混凝土的特性進(jìn)行了探究。結(jié)果表明，加入氧化石墨烯可以有效地增強(qiáng)水泥砂漿和超高強(qiáng)度混凝土的抗彎性能以及抗壓性能，而且增強(qiáng)效果前者大于后者；掃描電子顯微鏡的觀察結(jié)果表明，石墨氧化物納米片在水泥基體中分布良好，石墨氧化物納米片牢固地嵌入了周圍的基體中。

郭凱等[15]研究了不同摻量的石墨氧化物混合物對(duì)不同齡期的再生混凝土氣體滲透的影響。結(jié)果表明，隨著氧化石墨含量的增加，再生混凝土的滲透性降低，效果并不理想；對(duì)于不同齡期的則表現(xiàn)為短齡期效果好些，可見氧化石墨烯有助于增強(qiáng)早期混凝土性能。

納米碳化物在增強(qiáng)混凝土抗裂性能及抗腐蝕性能上起到了決定性作用，將其應(yīng)用到臨近海岸的工程中會(huì)取得良好的效果。但因其性價(jià)比的問題，想大量應(yīng)用于工程是有難度的。

4 結(jié) 論

納米材料是當(dāng)今材料科學(xué)研究的前沿，納米材料及其制備方法、處理方法在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)有了很大的發(fā)展。隨著對(duì)這種神奇的納米材料技術(shù)的認(rèn)識(shí)不斷提高，基于不同類型納米材料的新建筑材料開發(fā)應(yīng)用有望在建筑領(lǐng)域得到更廣泛的接受。