浅析纳米材料在混凝土中的应用

王广涛

（重庆欣材混凝土集团有限公司，401147）

浅析纳米材料在混凝土中的应用

王广涛

（重庆欣材混凝土集团有限公司，401147）

随着我国建筑施工要求的不断提高，对混凝土的强度和耐久性等性能提出了新的要求，传统的水泥混凝土已经不能满足多样化和高标准的施工规范要求。将纳米材料作为一种掺加料引入到混凝土的拌合过程中从而改良混凝土的各方面性能是近年来的研究热点。本文介绍了不同纳米材料在混凝土中的应用，并主要对纳米矿粉和硅粉对高强混凝土的改性进行了分析，以期为纳米材料在混凝土中的发展提供参考。

纳米材料；混凝土；性能；应用

前言

混凝土的发展历史可以追溯到1824年水泥的问世，至今已有200年历史。随着钢筋和混凝土的完美结合，钢筋混凝土已经成为现代建筑的主要建筑材料。多年来，混凝土材料一直以高强度为主要目标，同时协调耐久性、抗疲劳性能的发展。随着对水泥混凝土配合比、外加剂以及养护方法的改善，如何进一步提高混凝土强度以及各方面性能成为攻关的难点。近年来研究人员发现，多种材料达到纳米级别后会表现出不同的性质，因此将纳米材料引入到混凝土的生产中已经成为研究热点。纳米矿粉、纳米级碳酸钙、硅粉、纳米氧化物以及纳米金属粉等在提高混凝土强度和耐久性以及满足多种建筑需求方面发挥了重要作用。

一、纳米混凝土分类

1、根据添加纳米材料的不同，纳米混凝土主要可以分为三类，主要有纳米矿粉混凝土、纳米金属粉混凝土、纳米氧化物混凝土。目前应用最多的主要是纳米矿粉混凝土。纳米矿粉主要包括纳米二氧化钙、纳米碳酸钙、纳米硅粉等纳米级材料。纳米氧化物比如二氧化钛（TiO2）制备的混凝土成型后在太阳光的催化作用下，可以对多种有害气体进行氧化分解，最终形成无机小分子颗粒或者矿物酸等物质。而纳米金属粉制备的混凝土由于其中金属粉的电屏蔽作用可以用来生产屏蔽混凝土，满足特种建筑要求。

2、根据功能不同进行分类，纳米混凝土主要有防水混凝土、环保混凝土、敏感混凝土和隐身混凝土等。

二、纳米材料的作用机理

纳米技术的概念是由理查德.费曼于1959年提出，在过去的半个世纪，物理和化学等学科的发展已经证实了纳米技术的诸多观点。当材料达到1 ～100nm范围时，会表现出与宏观物体不同的性能，但是又与材料的分子或者原子性质存在差异，这种介于材料宏观性能和分子性能之间的介关结构材料就是纳米材料。纳米材料由于尺寸的微小，可以达到很大的比表面积，从而表现出较高的表面活性，同时，还具有其他效应。

1、小尺寸效应

小尺寸效应是指材料由于颗粒尺寸变小而引起的材料宏观性能的变化。尺寸表小时，材料的比表面积会增大，当尺寸足够小，会形成巨大的比表面积，从而产生新的性质。最明显的一个例子就是化学反应中反应物的接触面积会因为比表面积的增大而增大，从而获得较高的反应速率，表现出一种催化剂的性质。界面原子在外力作用下易发生迁移，而较大的比表面积意味着更多的界面，因此纳米材料通常表现出交高的延展性，而部分材料的强度也会得到极大的提高。

2、量子效应

超微颗粒会将宏观材料中连续的能带分裂为分立能级，当热能、电场能等比平均能级间距小时，就会表现出与宏观材料不同的特性。如比热容和电子的奇偶数相关、介电常数的变化等，同时纳米材料还会表现出宏观量子隧道效应。

3、体积效应

材料的各种宏观性质得以表现的前提是以无限多个原子组成块状物质。而纳米粒子由于体积小，原子数较少，因此表现出来的性能不同于宏观材料的性能，我们称之为体积效应。

三、纳米材料在混凝土中的应用

1、硅粉

硅粉又名微硅粉，学名硅灰，其主要成分是二氧化硅。一般硅灰的平均粒径在100nm左右，属于纳米材料的范畴。硅粉主要是与火山灰作用，形成胶凝材料，从而降低水泥的用量，达到节约的目的。硅粉可以在一定程度上替代水泥，降低水化热的排放，从而配制出高强低热的混凝土。水利工程中由于混凝土体积巨大，水化热需要进行严格限定，因此，高强低热的硅粉混凝土被广泛用于水利等大体积混凝土工程中。从上世纪70年代开始，挪威和瑞典等国家已经开始在港口和大坝的修建过程中采用硅粉混凝土，美国首先将硅粉混凝土应用在水坝的消力池建造上，效果良好，我国从上世纪80年代开始，陆续在泄水闸修补等工程中采用硅粉混凝土，取得了较好的效果。硅粉混凝土以其优良的性能，特别是高强度和高耐久性，以及提高早起强度和降低回弹量等性能备受关注。

值得注意的是，在采用硅粉混凝土时，需要配合减水剂的使用。如果不采用减水剂，则需要加大水的用量，较大的水灰比会严重降低混凝土强度。这也是早期硅粉混凝土未能得到及时推广的原因之一。一般情况下，硅粉的掺加量过多会造成混凝土粘稠，施工和易性降低，而过少的添加量对混凝土的改性效果不明显，根据施工规范，一般在10%以内为宜。必要时需要建立“强度——硅粉掺量”曲线，测定最佳硅粉掺加量。当需要较高的混凝土力学性能时，可以采取不变更水泥用量，对硅粉采取外掺法，这样相当于变相增加了混凝土中的胶凝材料，会达到较好的效果。

2、CaCO3

相比于二氧化硅的高成本，碳酸钙（CaCO3）的价格大约只有二氧化硅的十分之一，因此纳米碳酸钙在国内的应用更加广泛，相关研究进行的也较多。从性能上看，碳酸钙与二氧化硅的差别主要是对施工和易性的影响。硅粉需要配合减水剂使用，否则会造成粘稠度过高，不易振捣密实，而碳酸钙对混凝土的施工和易性基本无影响，并且两者均能提高混凝土的早起强度。

值得注意的是，碳酸钙的掺加比例应该得到控制，过高的掺加量会造成水化硫铝酸钙和水化碳铝酸钙的增多，这两者会造成混凝土的体积膨胀，从而破坏内部结构，降低强度。但是可以选择将硅粉和纳米碳酸钙共同作为外掺剂加入到混凝土中，这样有利于形成更好的级配，从而获得更好的密实程度和更高的强度。

四、特种混凝土的制备

1、高寿命混凝土

在港口、永久路面等永久性建筑中，需要更高的混凝土寿命。可以通过涂覆方法使混凝土表面形成一种以硅酸盐为主的纳米胶凝材料，从而阻断酸性物质对内部混凝土的腐蚀作用，也可以改善混凝土的收缩徐变等性能，达到更高的使用寿命。

2、电子屏蔽混凝土

纳米金属粉末均匀分布在混凝土中会形成有效的电磁屏蔽墙或者隐身建筑，可以满足军事上的特殊需求。同时，电磁屏蔽在减少外界电磁波对建筑内部用电设备干扰，保证高精以期正常工作方面也有突出作用。

3、环保混凝土

前文提到的纳米TiO2用于混凝土中，可以进行空气的净化。主要是TiO2在紫外光的激发作用下产生较大点位，可以氧化有害气体，从而达到净化空气的作用。试想如果公路水泥路面在制备过程中添加TiO2，可以有效降低车辆尾气对大气的污染。

结语

作为材料科学与工程研究的前沿，纳米材料的应用范围之广涵盖了物理、化学、生物等多个领域。目前，纳米材料在混凝土中的应用尚处在起步的探索阶段。随着经济和社会的发展，人类对建筑材料必然会提出越来越多的要求。如何抓住纳米科技发展的新契机，将传统建筑材料和纳米材料进行有机结合，进而创造高强、耐久的混凝土，满足不同需要，是材料研究工作者的重要任务。新科技和传统材料的结合必将让混凝土重新焕发青春！

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1007-6344（2015）10-0085-01