分析纳米材料在新型混凝土材料中的应用

赵彧

天津市建设投资有限公司天津市300000

摘要：随着社会经济发展的加速，建筑物如雨后春笋般矗立在祖国的大地上。而混凝土作为土木工程最基本的材料之一，其需求量越来越大，质量和功能的要求越来越高，所以传统的混凝土已经远不能满足如今的需要，使用新技术改良传统混凝土的性能成为建筑业首要的研究方向。本文作者结合自己的工作经验并加以反思，对纳米材料在新型混凝土材料中的应用进行了深入的探讨，具有重要的现实意义。

关键词：纳米技术；纳米材料；新型混凝土

一、纳米技术概述

纳米技术是上个世纪八十年代兴起的新型技术，是指在纳米量级范围内，通过操纵原子、分子、原子团或分子团使其重新排列组合成新物质的技术，其产物纳米材料也是纳米技术发展的基础。纳米材料通常指的是颗粒尺寸在纳米量级也就是（1nm～100nm）之间超细材料，具有独特的光学、电学、热力学和磁能学的性能。所以纳米技术广泛的运用于建筑、军事、医药、半导体、通讯等领域，并起到了很重要的作用，是重要的组成部分之一。

二、纳米混凝土概述

混凝土是如今用途最广、用量最大的建筑材料之一，在1830年问世以后，持续使用了170多年。而且混凝土拥有耐火性强、使用方便、制作简易、抗压性好等优点，所以一直被人们沿用下来。不过混凝土的成分组成表明了其韧性和抗拉能力的不足，要想解决这样的问题必须去改变混凝土的组成成分。

1.纳米混凝土力学性能的研究

研究表明SiO2（NS）的火山灰活性远高于硅粉的火山灰活性，掺入NS的浆体存在流动性变小和凝结时间缩短的现象，同时NS的掺入能显著提高混凝土的早期强度。NS掺入到硅酸盐水泥中，其火山灰反应吸收了大量的Ca（OH）2（NC）进而促进了水泥水化，提高了水化开始时的放热速率，并改善了水泥浆体的微观结构，使水泥更加均匀密实[1]。纳米CaCO3掺入到水泥材料中后起到了物理填充效应、水化效应和晶核效应，降低了水泥石内表面积，加快熟料早期水化速度，增加水泥石密实度，降低孔隙率，进而提高水泥石的抗压强度。

黄政宇等将未掺纳米材料混凝土、掺纳米SiO2混凝土和掺纳米CaCO3混凝土三组试件做了对比试验，实验表明掺入纳米SiO2的混凝土的抗压强度提高4%，掺入纳米CaCO3的混凝土养护28d抗压强度比未掺假NC的混凝土提高了16.7%。同时他们得出掺加NS和NC的最佳量分别为0.5%和3%。试验还得出掺入纳米材料的混凝土流动性会降低。

郭保林、王宝民[3]对纳米混凝土的性能进行了系统的试验研究，他们认为掺入NS能提高混凝土早期强度，尤以7天时最显著，此时掺入5%的NS比掺入3%的效果明显，后期的强度也与NS掺入量有关，掺入5%的NS在60天时的强度小于基准混凝土强度，并得到掺加3%的NS对混凝土后期强度增加明显。

唐小萍、魏秀瑛等也做了类似的研究，试验所用纳米材料是SiO2和Al2O3，以三种不同的纳米掺加量作为对比，结果表明掺入该纳米混合材料后可提高混凝土3d、7d、28d抗压强度20%、15%、10%。

2.纳米混凝土抗渗性能的研究

纳米SiO2可以提高混凝土抗裂、抗渗、抗冻等性能。研究表明：纳米SiO2可以改善混凝土的微观结构和综合性能，能够封堵混凝土内部孔隙，增强其抗裂性，提高混凝土抗渗、抗冻、抗化学侵蚀、抗冲磨等性能，从而提高水工混凝土的耐久性。

黄功学、谢晓鹏将混凝土试件养护至28d，对试件一次加压24h，用压力机劈开试件，测量渗水高度。混凝土抗渗性能随着纳米SiO2掺量的增加而提高；纳米SiO2掺量为1%、3%、5%时混凝土的渗水高度比普通混凝土分别降低了19%、44%、61%。他们认为纳米SiO2使混凝土中渗水通道堵塞或减少，混凝土的密实程度得到提高，降低了溶出性侵蚀的危害。

杜应吉等也做了相关实验，他们将纳米基混凝土改性剂掺入混凝土中，在电子显微镜下观察发现混凝土内的大孔和微孔数量均大幅下降，使混凝土的的密实度提高，从而提高混凝土（砂浆）的抗渗性。数据显示掺入纳米基混凝土改性剂的试件比相同配比的普通混凝土试件的抗渗性提高了30%。

李晗等试验方法是将标准试件放入氯化Nacl中浸泡24h，取出试件烘干，循环10次。然后钻取不同深度的混凝土试样测定氯离子含量。2.5mm深度NS掺量0.5%，1.0%和2.0%氯离子含量分别为不掺NS时的92.7%，92.3%和91.9%，兰成明等[9]也做了抗氯离子的渗透试验，得到了基本相同的数据。

三、纳米材料在新型混凝土材料中的应用

上面说到要想解决旧的混凝土材料的缺点，必须改变其组成成分。所以经过收集，现在新型混凝土材料有如下几类：

1、纳米复合水泥混凝土结构材料

经测量普通水泥颗粒粒径大约在7微米～200微米之间，我们要向其中加入一种水化硅酸钙凝胶的原料，其尺寸经过精密测量在纳米级范围。然后在这种胶凝材料中引入纳米矿粉（主要包括纳米SiO2、纳米CaCO3和纳米硅粉等），能够使其大大地提高水泥混凝土硬化浆体的性能和凝固后的耐久性，不过这种新型混凝土仍有不足，就是其成本相对比较高，制约了其广泛应用。需要继续探究其更广阔的发展前景。

2、纳米材料在光催化混凝土中的应用

实验表明TiO2具有净化空气的性质，所以锐钛型纳米TiO2具有洁净空气、灭菌、除臭、自洁等特殊功能，可以用于制备光催化混凝土，使其对污染空气进行净化。不过要注意光催化混凝土和催化剂的寿命问题，使其更长久。

3、纳米金属粉末在屏蔽混凝土中的应用

经发现纳米金属粉末有两项功能，第一是纳米金属粉末的硬度较高，而且在晶粒粒径减小的条件下，硬度不断提高，同时韧性更好；第二是纳米金属粉末可以吸收电磁波，可以起到很好的信号屏蔽作用，可以广泛运用去军用设施的建设。

4、纳米氧化物在多功能混凝土中的应用

氧化物的种类一般包括金属氧化物和非金属氧化物，其中以金属氧化物占据大部分。纳米金属氧化物具有一般纳米材料都具有的性质，而且其吸收电磁波的能力要强于纳米金属粉末。最重要的一点，纳米金属氧化物对环境变化非常敏感，周围环境的改变会引起氧化物表面电荷的变化，达到传递信号的目的。所以除了利用纳米金属氧化物材料屏蔽电磁外，利用其良好的传感作用还可以制备具有自动报警功能的水泥混凝土。用于检测建筑物结构情况，还有道路上的车重和车速等。

5、聚合物/无机纳米材料在功能混凝土中的应用

与传统材料相比，聚合物/无机纳米材料具有很多优点，具有很好的增强性、增韧性、耐热性、热稳定性和导电性等。由于这些优异的性能，使这种材料的应用研究成为复合材料中的大热门，关于这种材料的理论辩论也很多，如果将其应用与混凝土当中，不仅改良了旧混凝土的缺点，还能达到其他功用。

四、发展前景

在建筑行业飞速发展的今天，混凝土成为非常有前景的项目之一，因为混凝土使用广泛，数量庞大。在工程施工中，对混凝土的应用要求越来越高。而且目前，新型混凝土在市场的应用和推广越来越广泛。越来越多的建筑商建立了专门的研究部门，开始自主研发新型混凝土或与之相关的仪器设备。随着科学的发展，新型混凝土性能的不断提高，越来越体现出新型混凝土的优越性，所以，使得混凝土在工程中的应用越来越重要。

随着经济发展越来越快，科技成为第一生产力的同时，城市建设进程的不断加快，这直接带动了我国新型混凝土产业的发展和应用，然后新型混凝土产业不断进步的同时也带动了生产力的发展。在市场竞争中，新型混凝土的质量和性能也能保证工程的顺利进行，节省了资源。所以我们要更加努力的去探究，将纳米材料更好的应用在新型混凝土材料中。

参考文献：

[1]王山峰.张文辉.土建混凝土施工技术问题浅析[J].科技创新与应用.2012.（17）.

[2]孙茂伟.高性能混凝土在建筑工程中的应用[J].中国新技术新产品.2009.（19）.

[3]杨勤凤.高性能混凝土在建筑工程中的实际应用[J].中国新技术新产品.2010.（10）