纳米材料对混凝土性能的影响分析.pdf

doi:10. 3963/j. issn. 1674 - 6066. 2015. 01. 002 纳米材料对混凝土性能的影响分析 孙瑞平 ( 山西工程技术学院, 阳泉045000) 摘 要: 介绍了纳米SiO2、CaCO3、TiO2、 纳米碳纤维等纳米材料在混凝土方面的应用, 分析了它们对混凝土性能 的影响, 并预测了未来纳米混凝土的研究趋势。认为: 在混凝土中掺入适量的纳米材料, 其细微颗粒可以填充到水泥 的孔隙中, 提高了混凝土的密实度, 从而改善了混凝土的力学性能和耐久性。 关键词: 纳米材料; 混凝土; 力学性能; 耐久性 Effects of Nano - Materials on Properties of Concretes SUN Rui - ping (College of Shanxi Engineering and Technology,Yangquan 045000,China) Abstract: The applications of nano - materials such as nano - SiO2、nano - CaCO3, 、nano - TiO2and Carbon nanofibers in the aspect of concrete were introduced and their effects on the performance of concrete were analyzed.The further re - search trends of nano - concrete are predicted.It is found that the proper addition of nano - materials can increase com - pactness of concrete because the tiny particles can be well filled into the cement pore.Therefore the mechanical proper - ties and durability of concrete are improved. Key words: Nano - materials; concrete; mechanical properties; durability 收稿日期:2014 - 12 - 09. 作者简介: 孙瑞平(1979 -) , 讲师. E - mail:srp2005 - 2 - 12163. com 混凝土是现代建筑结构的主要材料, 具有承载力强、 易成型、 可与钢筋增强等优点, 但普通混凝土刚性过 大而柔性不足, 以及混凝土本身固有的结构缺陷, 使其在使用过程中不可避免产生开裂、 破坏, 限制了它在许 多领域中的应用。纳米技术的出现为混凝土性能的发展提供了新途径。 1 纳米材料概述 纳米材料是通过对普通材料在纳米尺度(1100 nm) 人工的设计和结构控制, 获得具有全新优异物理化学 性能的一种新型材料。1990年7月在美国巴尔的摩召开第一届国际纳米科技会议和第五届国际扫描隧道显微 镜学术会议, 标志着纳米科技的正式诞生。从此, 日本和欧洲各国先后将纳米研究作为国家优先发展的重点项 目, 投入巨额资金, 成立纳米研究中心。随后, 我国也启动了一系列重大科研计划, 中科院组织了中国科技大学 等单位积极投入纳米科学和技术的研究, 取得了许多瞩目的世界成果。1998年清华大学范守善小组在国际上 首次制备出直径只有350 nm、 长度达微米级的半导体一维纳米棒, 中科院物理所解思深小组合成了目前世界 上直径最小的“ 超纤维” 纳米碳管, 标志着我国在纳米领域的研究进入了一个崭新的阶段 1。纳米科技作为 21 世纪最重要的材料和技术之一, 无疑将对建筑材料乃至整个土木工程领域产生巨大影响。 2 纳米材料在混凝土中的应用 2. 1 纳米SiO2在混凝土中的应用 纳米SiO2是研究相对较多的粉体材料, 是一种无定形物质, 其粒径仅为20 nm左右, 已经广泛用于改性 6 建材世界 2015年 第36卷 第1期 涂料、 抗紫外剂、 塑料添加剂、 橡胶制品、 颜料、 陶瓷等领域。在水泥混凝土领域, 由于其具有极强的火山灰活 性、 微集料填充效应和晶核作用, 可以增加混凝土的强度和耐久性。 2. 2 纳米CaCO3在混凝土中的应用 纳米CaCO3是一种惰性颗粒、 活性低, 具有价格优势的矿物微粉材料, 其成本约为纳米SiO2的十分之 一, 多用于橡胶、 塑料和涂料等行业。由于其微小的颗粒尺寸, 纳米CaCO3表面原子数、 表面积、 表面能都迅 速增加, 从而具有与普通粒子不同的特性 2。目前主要对将纳米 CaCO3掺入混凝土中, 对其力学性能、 水化 性能产生的影响进行分析。 2. 3 纳米金属氧化物在混凝土中的应用 锐钛型纳米TiO2具有净化空气、 杀菌、 表面自洁等特征 3, 它可以改善混凝土的相关性能。利用纳米 TiO2能净化空气, 可以制备出能够分解甚至去除机动车辆尾气中含有的对人体有害的SO2等污染气体的混 凝土, 这主要是因为它是一种优良的光催化剂, 加入混凝土中能够使其与机动车排出的尾气发生光催化反 应, 从而起到净化空气的作用。另外, 还可以制成具有电磁屏蔽作用、 传感作用等一系列智能混凝土, 这类智 能型混凝土可以用于控制混凝土结构的开裂, 监测破损状况, 评价损伤等。 2. 4 碳纳米管在混凝土中的应用 碳纳米管呈管状, 径向尺寸较小, 管的外径一般在几纳米到几十纳米; 管的内径更小, 有的只有1纳米左 右, 而长度一般在微米量级, 长径比非常大, 属于很好的高强度纤维材料。将适量的碳纳米管掺入水泥当中, 可有效改善材料的孔结构和微裂纹, 并起到桥联作用, 从而提高水泥基材的力学性能 4。 2. 5 纳米碳纤维在混凝土中的应用 纳米碳纤维(Carbon nanofibers, CNFs) 是由层状结构的石墨片卷曲而形成的呈现纤维状的新型的纳米 碳材料, 它的直径为50400 nm, 长径比为1001 000, 是介于碳纳米管和常规碳纤维之间仅有的纤维碳材 料, 它除具备普通碳纤维的一些优质特点以外, 还表现出自身独立的一些优质特征, 比如长径比大、 比表面积 大、 结构致密等 5。与碳纳米管相比, 它的成本比较小, 而且在产量上有很大的优势, 从而使它在复合性材 料、 催化剂载体等方面得到了广泛的应用。 3 纳米材料对混凝土性能的影响 3. 1 纳米材料对混凝土强度的影响 混凝土的强度是材料抵抗外力作用而不破坏的能力, 是混凝土进行设计和质量控制过程中的重要控制 因素之一。通常情况下, 水胶比越大, 混凝土凝结硬化后形成的孔隙越多, 内部结构越疏松, 混凝土的强度就 会受到影响。 王宝明 6在一定程度上研究了纳米 SiO2对混凝土所起的增强作用效果, 结果表明: 对于不同水胶比的 混凝土, 掺加不同掺量的纳米SiO2后均能不同程度地提高混凝土的早期和后期抗压强度( 早期比后期增强 效果显著) 。可能的原因是水化反应初期, 具有高活性的SiO2能够较快地与水泥的水化产物Ca(OH) 2发生 二次反应生成具有强度的水化硅酸钙凝胶, 从而提高混凝土早期抗压强度。随着水化反应的不断进行, 当混 凝土内部相对湿度降到某个临界值时, 水化反应就会停止。由于纳米SiO2的比表面积非常大, 与水拌合后 吸附的表层水数量很大, 这会使得参与水化的水的数量减少, 从而导致后期强度增长不明显。 祖天钰认为 7, 在超高性能混凝土中掺入纳米碳酸钙, 可以提高 UHPC的抗压强度, 显著提高其抗折强 度。分析其原因可能是掺入纳米CaCO3后,C-S-H凝胶以纳米CaCO3为晶核, 在纳米CaCO3表面产生键 合, 从而使水化硅酸钙凝胶形成以纳米CaCO3为核心的网状结构, 使混凝土结构内部更为密实。掺入少量 的纳米CaCO3颗粒可以明显降低Ca(OH) 2在基体界面处的定向排列和密集分布。从物理角度来说, 纳米 7 建材世界 2015年 第36卷 第1期 CaCO3能起到微集料作用, 填充在水泥和其他矿物微粉的颗粒之间, 提高其堆积密实度, 减小孔隙率, 降低 UHPC的内部缺陷, 提高了UHPC的力学性能。 3. 2 纳米材料对混凝土工作性的影响 混凝土良好的工作性要求有好的流动性, 能填充密布的钢筋间隙和模板角落; 良好的粘聚性以利于在运 输、 浇筑、 振捣、 养护过程中不发生分层、 离析现象; 还要求具备良好的保水性, 不泌水。 据报道 7,8, 纳米 SiO2和纳米CaCO3的掺入均可使UHPC的流动性下降; 而且掺量越多, 下降幅度越 大。可能是因为纳米材料极大的比表面积使得水泥浆体的需水量增加。 3. 3 纳米材料对混凝土耐久性的影响 3. 3. 1 纳米SiO2对混凝土抗渗性的影响 混凝土抗渗性能低, 会导致一些携带有害离子的水分通过混凝土的孔隙进入内部, 对其造成腐蚀, 钢筋 锈蚀。 李固华 9的研究表明: 在各龄期, 纳米 SiO2均能提高混凝土抗氯离子渗透性。早期效果较显著, 后期效 果有所降低。同时, 氯离子的渗透性随着纳米SiO2掺量的提高而降低, 掺量3%效果最好。原因可能是由于 水泥浆中连通孔隙以及水泥浆与骨料间界面内连通孔隙的减少致使混凝土的抗渗性提高。 3. 3. 2 纳米SiO2和纳米TiO2对混凝土碳化深度的影响 混凝土的碳化导致PH值降低, 钢筋失去碱性保护而锈蚀。王黎明等 10分别测试两种不同剂量混凝土 的碳化深度, 试验结果发现: 随着龄期的延长, 纳米混凝土的碳化深度不断增加, 且纳米材料混凝土的碳化深 度均小于普通基准混凝土。纳米材料添加在混凝土中, 可以填充水泥水化产生的孔隙, 降低CO2的扩散, 提 高了混凝土的抗碳化性能。 3. 3. 3 纳米SiO2对混凝土抗冻性的影响 当气温在-4 以下时, 在饱和水情况下, 混凝土易发生冻融循环破坏, 严重影响其耐久性能。混凝土 受冻破坏的主要形式有两种: 表面剥落与内部开裂。纳米材料可改善混凝土的微孔结构, 提高其密实度, 有 利于提高混凝土的抗冻性能。文献 6,11表明: 高强高性能混凝土在冻融循环破坏时, 其质量损失非常小, 仅 有少部分表层浆体剥落, 最大损失不超过0. 5%。最大冻融次数前各循环时间点掺入纳米二氧化硅(NS) 的 混凝土抗冻耐久性系数均比不掺NS的有所提高。 3. 4 纳米碳纤维对混凝土抗冲磨的影响 混凝土的磨损机理表明, 由于混凝土的表面受到高速含砂水流的磨擦、 切削和冲击, 使其慢慢地被磨损、 冲蚀, 最终导致了混凝土的破坏、 失效。当纳米碳纤维掺入到混凝土中时, 因为纳米碳纤维具备的增强、 增韧 等效应, 其互相搭接, 使得混凝土内部的支撑系统呈现出无序且不均匀分布的状态, 从而抑制了冲磨破坏而 导致的微裂缝的进一步延伸。与此同时, 纤维也在一定程度上制约着混凝土碎裂剥落现象的产生, 阻碍了其 内部微裂纹的生成与延展, 混凝土胶体发生破损、 碎裂的进程也受到了限定, 加之纳米碳纤维的弹性模量比 较大, 从而对硬化以后的混凝土在受到冲刷的过程中发生破坏而形成的微裂纹的扩散、 贯通等起到了很好的 抑制作用, 加强了内部粗细集料的磨损性能, 降低由于冲击波被堵塞而导致的局部应力的集中程度, 增加了 劈裂强度, 有效地改善高强混凝土的脆性, 并且当混凝土丧失连续性时, 还可避免由此产生的整体性损伤, 由 此增强了它的抗冲耐磨性 12。 4 结 语 掺入纳米材料后混凝土的强度及耐久性等性能有了明显的改善, 然而由于纳米材料的价格昂贵, 极大地 8 建材世界 2015年 第36卷 第1期 限制了它们在混凝土中的应用, 需要进一步探索纳米混凝土的制备工艺以降低成本。另外, 纳米粒子在水泥 中容易团聚, 在一定程度上限制了混凝土强度的提高, 因此, 改善其分散性, 使其在混凝土中均匀分散以获得 更高的性能是纳米混凝土应用基础研究中的一个重大课题。 参考文献 1 曾庆响.纳米科技与建材改性J.中国建材,2003,12:54 - 55 2 Li Hui,Xiao Huigang. Microstructure of Cement Mortar with Nano - particles. Composites Part B:Engineering,2004, 35(2) :185 - 189. 3 Maggos T,Plassais A,Bartzis J G. Photocatalytic Degradation of NOxin a Pilot Street Canyon Configuration Using TiO2Mortar PanelsJ. Environ Monit Assess,2008,136:35 - 44. 4 马 颖, 王 丹, 王 晴.多壁碳纳米管水泥基复合材料的制备与力学性能研究J.混凝土,2014(6) :72 - 77. 5 Agullo J V,Chozas Ligero V,Portillo Rico D,et al. Mortar and Concrete Reinforced with NanomaterialsJ. Nanotechn - olog