混凝土研究性教学报告

1、纳米材料在混凝土中的研究与应用土木建筑工程学院1112班【摘要】介绍了纳米材抖的一些特性，讨论了纳米SiO2及硅粉对混凝土强度和耐久性能的改善作用，纳米Si02及硅粉作为外掺料可制备高性能混凝土，纳米材料作为外掺料还可用以制备具有特殊功能的混凝土，例如，添加纳米金属氧化物可制备智能混凝土和环保混凝土，添加纳米金属粉末可制备电磁屏蔽混凝土等。【关键词】纳米材料；高性能混凝土；智能混凝土；环保混凝土；特殊功能1引言 水泥混凝土是应用最广泛、最重要的传统工程材料之一。据报道，目前我国每年混凝土的用量已超过20亿立方米，但由于普通水泥混凝土的刚性过大，柔性不足，易开裂，这限制了它在很多领域的应用。伴随

2、着新的科学技术的发展，混凝土的制备和应用技术也进一步发展，利用新科技新工艺改造传统材料，对提升其性能、拓展其应用领域具有重要意义。 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或是由它们作为基本单元构成的材料。由于其小尺寸，呈现出许多奇异的性质，具有传统材料所不具备的优异的力、热、光、磁及化学等宏观性能，使之成为当今材料科学领域研究的热点。科学家预言，纳米材料和技术将是推动2l世纪科技发展的一个火车头，将对电子信息、生物医学、环保与能源、传统产业改造(如汽车、纺织、化工、建材、冶金、机械)、航空航天等产业产生重大影响，同时也将为改善人们的生活环境及保障人们的健康带来意想不到的好处。纳米材

3、料在混凝土中的应用前景也将是十分广阔的。2纳米材料的小尺寸效应21特殊的力学性质 平均粒径为6nm的纳米铁，断裂强度提高12倍，硬度提高2至3个数量级。陶瓷材料在通常情况下呈脆性，而由纳米超微粒(如纳米TiO2)制成的纳米陶瓷材料具有良好的韧性，这是由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下自己容易迁移，表现出很好的韧性和一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能，成为“摔不碎的陶瓷”。人的牙齿之所以有很高的强度，是因为它主要是由纳米尺寸的磷酸钙构成的。考古学家观察到几千年前制备的古铜器和古瓷器表面至今完好无损，而这些表面均是由纳米级的晶粒组成的。22

4、特殊的热学性质 平均粒径为40nm的纳米铜，熔点由1053摄氏度降到750摄氏度，平均热胀系数增加一倍。块状金的熔点为1064摄氏度，当颗粒尺寸减小到10nm时，熔点降为1037摄氏度，2nm时则降为327摄氏度。银的常规熔点为690摄氏度，而超细银的熔点降为100摄氏度。在钨颗粒中加入(0.1-0.5)重量比的纳米Ni，烧结温度可从3000摄氏度降为1200-1300摄氏度。23特殊的磁性 人们发现鸽子、蝴蝶、蜜蜂等生物中存在超微磁性颗粒，使这些生物在地磁场中能辨别方向，具有回归本领。这些磁性颗粒是大小约为20nm的磁性氧化物，其磁性比大块材料强许多倍。纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20多

5、倍。24电磁波的强吸收性 纳米金属粉末是一种良好的吸波材料。由于纳米材料的表面效应，增加了纳米材料的活性，在微波场的辐射下，原子和电子运动加剧，促使磁化，使电子能转化为热能，从而增加对电磁波的吸收。可用于雷达波、红外线及可见光的隐身材料。3纳米材料在混凝土中的研究和应用现状 将纳米矿粉(如纳米SiO2、纳米硅粉、纳米CaCO3等)作为外掺料引入到普通水泥混凝土中，对普通混凝土的微观结构进行改性。纳米矿粉不但可以填充水泥的空隙，更重要的是由于纳米矿粉的火山灰活性，纳米矿粉会与水泥浆体中的Ca(OH)2进一步反应，改善混凝土中水泥浆体的结构和性能、水泥浆体与骨料的界面结构和性能，从而使混凝土的强度

6、、韧性、抗渗性和耐久性能得以提高。31硅粉及其在混凝土中的研究、应用 硅粉，又称硅灰，是铁合金厂在冶炼硅铁合金或半导体硅时，从烟尘中收集的一种飞灰，主要成分Si02，平均粒径100nm左右，实质是纳米级颗粒、亚微米级颗粒及少量微米级颗粒组成的混合物，具有优越的火山灰性能。研究表明，硅粉的填充和火山灰作用，使其成为一种有效的附加胶凝材料，能增强混凝土的物理力学性能。用不同量硅粉替代混凝土中的水泥，并外掺高效减水剂，使W(C+SF)(W、C和SF分别表示水、水泥和硅粉)及塌落度保持与基准混凝土一致，则含SF的混凝土的抗压强度高于对比的基准混凝土。28d强度提高(5-35)%。硅灰和高效减水剂双掺可

7、起到节约水泥、提高强度的双重效果。以硅灰代替混凝土中的部分水泥，还能降低水化热而不降低强度，配制高强低热的高性能混凝土，用于大体积混凝土工程。另外，掺入硅灰还可提高混凝土的耐久性；提高抗水、抗氯离子渗透、抗电化学腐蚀性能。 硅粉在混凝土中的应用起于工业固体废弃物的再利用。第一个使用硅粉混凝土的结构工程是瑞典的一座桥粱，建成于1981年，利用硅粉替代了部分水泥，在不降低强度的同时，降低大体积混凝土的水化热。随后在1983年，美国Kinzua大坝的混凝土中采用了硅粉70千克每立方米，水泥386千克每立方米，混凝土7天强度为70Mpa，28天强度为86MPa，3年后抗压强度更达110MPa。在我国，

8、硅粉混凝土也得到了一些应用，如上海丁家桥路面应用了硅粉混凝土，使耐磨性能得到明显提高，北京、上海的一些高层建筑中，掺量(10-15)%硅粉的混凝土，强度达到C60以上，用于底部框架柱、剪力墙。32纳米Si02应用于混凝土中的研究 浙江工业大学的研究表明，纳米Si02具有较高的火山灰活性，应该可以用于水泥基材料中。重庆大学对纳米SiO2材料在水泥基材料中的应用进行了可行性研究，得到的初步结论是将纳米Si02材料掺入到水泥基材料中，水泥基材料的强度和流动性都有所提高，但掺量不宜过高。浙江工业大学、哈尔滨工业大学及沈阳建筑工程学院进一步就纳米Si02和硅灰对水泥基材料的改性进行了研究，结果表明，纳米

9、Si02材料能明显降低水泥浆体的结构缺陷，提高水泥硬化浆体的强度。福州大学将纳米Si02掺入到粉煤灰混凝土中，并对其物理力学性能进行了初步的试验研究，试验表明，掺加纳米Si02可提高粉煤灰混凝土7天和28天的抗压强度与抗折强度。上述这些成果表明，将纳米材料掺入普通混凝土中，是可以改善混凝土的微观结构，从而可以使混凝土的物理力学性能得到改善的。总的来说，有关纳米Si02在水泥混凝土中应用的研究还处于探索阶段，国内外相关的报道还很少，且试验结果也较离散。33存在的问题 1目前还缺乏对纳米硅粉、纳米Si02本身物理、化学性能的全面认识。 2对纳米硅粉、纳米Si02的团聚、表面处理、分散方法、添加工艺

10、缺乏研究。 3纳米硅粉、纳米SiO2等纳米矿粉对混凝土微观结构及性能影响的机理认识还不充分。 4微观结构及性能对宏观性能的影响及其相互关系缺乏深入研究。 5纳米Si02、纳米硅粉等纳米矿粉与水泥相比，价格昂贵。4发展方向和应用前景41纳米矿粉在水泥混凝土中的应用制备高性能混凝土 前面的论述已表明，纳米矿粉(纳米Si02、纳米硅粉等)的掺入对混凝土的强度、韧性及耐久性等性能有明显的改善作用。但目前纳米Si02、纳米硅粉的价格很高，这就限制了它们在混凝土中的实际应用。 下述工作值得关注： 1纳米硅粉、纳米Si02等纳米矿粉的制各工艺，降低其成本、价格。 2纳米矿粉对混凝土宏、微观性能改性的机理。

11、3纳米混凝土的制备技术。 4纳米混凝土材料的物理力学性能。 5纳米混凝土结构构件受力性能的研究。 有理由相信，不久的将来，纳米矿粉将成为制备高性能混凝土的又一重要组分。随着纳米科技的发展，如果能将水泥颗粒直接纳米化，并充分认识纳米水泥的水化作用机理后，纳米混凝土的应用领域将更加广阔。42纳米材料在混凝土中的应用制备功能性混凝土(1)智能混凝土 由于纳米材料巨大的比表面积和界面，使得它对外界环境十分敏感，环境的改变会迅速引起表面和界面离子价态和电子运输的变化、纳米材料的这种特性使其成为应用于传感方面有前途的材料。在混凝中掺入某种纳米金属氧化物，使混凝土具有较强的导电性能，同时还具有传感作用，也可

12、在混凝土中植入用纳米金属氧化物制成的传感嚣。聚合物无机纳米复合材料也有可能应用于混凝土，不仅可提高混凝土的抗压、抗拉强度及韧性和耐久性能，还可利用聚合物无机纳米复合材料的优异导电性能，测试其电阻的变化，建立电阻与荷载的关系。这种智能混凝土可用于大型、重要土木工程结构的实时和长期健康监测，对及时防范混凝士开裂与破坏，防止重大突发事故的发生具有重要意义。(2)环保混凝土 纳米锐钛型二氧化钛(纳米TiO2)是一种典型和优良的光催化纳米材料，受到太阳光中紫外光激发后产生的光生空穴的氧化电位大于3.0eV，比一般常用的氧化剂的电极电位都要高，具有极强的氧化性，能够氧化多种有机物和一些无机有害气体，将其最

13、后氧化成无机小分子和矿物酸。利用纳米TiO2的这些特性可用于制作具有环保功能的混凝土。如在公路、街道路面混凝土浇筑过程中掺入纳米TiO2，可获得良好的除氮氯化物的功能，以除去汽车尾气中所含的氮氧化物，使空气质量得以改善。例如，1998年日本大阪府实施了“采用光催化剂改善沿路环境事业”的项目，在大阪府道憔海线道路两侧建设了光催化净化混凝土墙，起到了降低氮氧化物浓度的作用。日本长崎和美国洛杉机在交通繁忙的道路两边，铺设光催化净化功能的混凝土地砖来净化氮氧化物，保障人体的健康。 纳米TiO2还具有杀灭细菌等微生物的功能，因此在医院病房、手术室及其它生活空间所使用的地面、墙体的混凝土中，可加入纳米Ti02，起杀菌、净化空气的作用。(3)电磁屏蔽混凝士 将纳米金属粉末加入到混凝土中，利用纳米金属粉末良好的吸波性能，可制成具有电磁屏蔽功能的混凝土，逃避雷达的侦察。另一方面，纳米金属粉末还可参与水泥的水化过程，提高混凝土的强度和抗冲击能力。因此这种混凝土不仅强度高、抗冲击性能好，并且还具有很好的隐身效果，可用于军事掩体。5结语 总的来说，有关纳米材料在混凝土中的研究和