纳米ZrO2对混凝土材料的影响及其研究应用前景

郭 爽，王 红，朱 丹，吴福飞，董双快

(贵州师范大学 材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550025)

1 纳米ZrO2的属性及性质

ZrO2为锆的主要氧化物，强碱性氧化物，白色无味晶体，不溶于水。ZrO2作为结构材料具有高硬度、耐磨、耐腐蚀、耐高温、不导电不导磁、抗热震性优良等物理特征。在现有研究中已经证明，纳米ZrO2因其作为结构材料和功能材料所具有的优秀物理性能和出色的化学热稳定性，被广泛地应用于陶瓷、核技术及生物医学等领域。并且近年来，相关研究发现纳米金属氧化物的加入对混凝土材料的性能有较为明显的提升作用，在一定程度上促进了水泥基材料向高韧性方向的发展。

研究表明，纳米材料所具有的小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应及界面效应都会对混凝土材料的内部结构及材料水泥水化产物产生积极影响，从而使混凝土材料的致密性和耐久性能都得以提高。并且，纳米ZrO2除了具备纳米材料所具备的相关性质外，还具有独特的晶相变化，从而使得纳米ZrO2对混凝土材料的影响较之其他纳米金属氧化物而言，性能提升作用更强，实验效果更佳。因此，将纳米ZrO2作为提升混凝土材料性能的外加物进行研究也更具可观效果。

2 纳米ZrO2对混凝土性能的影响

为了探究纳米ZrO2及其他纳米金属氧化物对水泥基材料的影响作用并比较它们的作用效果的大小。笔者将6种纳米金属氧化物以等质量(1%)替代水泥的方式制备水泥基材料试件，并且通过抗折抗压实验，得到相关的实验数据，以此探究纳米金属氧化物对水泥基材料的影响作用及区别6种纳米金属氧化物对水泥基材料贡献大小。

1%的纳米金属氧化物掺入水泥基材料中制备试件，在龄期为3、7、28、90 d内对水泥基材料的力学性能影响作用如图1所示。通过图1(a)可以看出，6种纳米金属氧化物对于水泥基材料的抗折强度都有提升作用，且从图1(a)中可知，纳米ZrO2相较于其他5种纳米金属氧化物而言，它在各个龄期内对水泥基材料抗折强度的提升作用都是最好的。从图1(b)可以看出，虽然纳米ZrO2对水泥基材料抗压强度的提升作用并不是最强的，但是相较于其他纳米金属氧化物而言，纳米ZrO2的提升作用优于其他4种纳米金属氧化物且与作用最好的Fe3O4不相上下。因此从实验结果可以看出，纳米ZrO2在水泥基材料的性能提升方面的作用较之其他纳米氧化物而言，具有较为优异的作用。

(a)抗折强度

通过吴福飞等[1]对不同掺量的纳米水泥基材料进行了研究，实验通过将六种纳米材料(AL2O3、CuO、ZrO2、MgO、Fe2O3及Fe3O4)以等质量(2%、4%)替代水泥的方式，制备水泥基材料，并对水泥基材料抗折抗压强度进行测试，得到相关实验数据见图2～3。实验数据引用如下。

水泥基材料抗折强度变化如图2所示，6种纳米金属氧化物掺入水泥基材料后都提高了水泥基材料的抗折强度，其中，在同等掺量(2%)下，纳米ZrO2对水泥基材料的抗折强度影响最大，掺入纳米ZrO2的实验组对比空白对照组抗折强度显著增加，增幅可达到35%以上。这与本文的1%掺量下纳米金属氧化物实验结果是一致的。同样，由图3可以看出，在一定龄期内，纳米ZrO2对水泥基材料的抗压强度的提升作用也优于其他5种纳米金属氧化物实验组及实验空白对照组。吴福飞等的实验数据充分说明了即使在不同的掺量下，纳米ZrO2对水泥基材料力学性能的提升作用都较其他种类纳米金属氧化物优秀。

(a)掺量2%

(b)掺量4%

(a)掺量2%

(b)掺量4%

丛日竹等[2]在研究水泥中掺入纳米ZrO2进行水泥净浆实验和砂浆实验研究时发现，由于纳米ZrO2的“比表面效应”及“小尺寸效应”，同时研究发现纳米ZrO2还具有诱导水化作用，作用于水泥基材料使得水泥基材料的水泥水化过程生成了更多的C-S-H凝胶和其他物质，从而使水泥内部结构更加致密，以此提高水泥浆体力学性能。

通过大量文献的参考可以发现，近年来的研究成果中有足够多的实验数据证明，在混凝土材料中掺入纳米ZrO2，对混凝土材料性能有着积极影响作用，并且相较于其他纳米金属氧化物而言，纳米ZrO2的作用效果更好，性能提升效果更强。

3 纳米ZrO2在混凝土中的作用机理

从相关研究纳米金属氧化物对于混凝土材料的作用机理探究实验中可以得到相关的理论看法。其中，吕鹏飞等[3]论述了纳米材料改性混凝土的作用机理，即纳米材料对于混凝土材料的改性作用主要体现如下：①纳米金属氧化物材料可以参与水泥水化过程，通过纳米金属材料的影响，降低了混凝土材料的凝结时间，提高混凝土材料的早期强度；②纳米金属氧化物优化了混凝土材料水化产物的组成和形貌，使得混凝土材料水化生成的CHS更加密实；③纳米材料的小尺寸效应使其可以扩散到水泥颗粒的孔隙之中，改善混凝土材料体系的颗粒级配，降低材料孔隙率。

其中ZrO2对混凝土材料影响效果较之其他纳米金属材料更佳的原因是其具有三种晶相，实验过程中利用纳米ZrO2的相变增韧机制对纳米ZrO2进行处理，再应用于混凝土材料中就可以提高混凝土材料的力学性能，这样的相变增韧机制也使得纳米ZrO2对混凝土材料的影响作用优于其他纳米金属氧化物混凝土材料。

ZrO2作为一种多晶相体系物质[3]，其晶相结构对其理化性质有着较大的影响。在常压下ZrO2存在三种晶态：单斜相、四方相及立方相，通过技术手段操作使ZrO2不稳定晶相转变为稳定的晶相，即通过物理化学方法[4]使得不稳定状态的高温相四方晶型、立方晶型结构发生不可逆相变，转变成室温下稳定状态的四方或立方晶型ZrO2，通过晶型转变后得到不可逆的稳定晶型ZrO2，再将稳定态纳米ZrO2加入混凝土材料中就能使ZrO2材料发挥出更为可观的性能提升作用。

4 未来研究应用重点及前景展望

近年来，纳米ZrO2作为新兴材料在混凝土材料性能提升方面的研究恰逢其时，但是，在充分肯定纳米ZrO2对混凝土材料的贡献及作用的同时，我们对它在具体实验应用中所存在的问题也需给予足够的重视，研究过程中纳米ZrO2在水泥基材料中存在的团聚现象并未得到解决，同时纳米ZrO2相关的作用机理尚未完全明确，这些都是混凝土材料发展中对于纳米ZrO2研究所要关注的问题。此外，对于纳米ZrO2微观结构和应用性能的探究也都应该成为纳米ZrO2未来需要解决的问题及研究重点。

随着超高、超强建筑的发展，高性能的混凝土材料成为市场需求重点。纳米材料制备高性能混凝土材料也将是未来混凝土材料研究创新的重要方向，相信随着纳米混凝土材料技术的成熟与完善，纳米ZrO2在水泥基材料中的应用也将迎来更为可观的前景。

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