纳米技术在现代混凝土中的应用【最新版】

纳米技术在现代混凝土中的应用

一、纳米技术在高性能、高耐久性混凝土中的应用

高性能混凝土是要求混凝土具有很高的强度、很好的施工性能、很好的体积稳定性能和耐久性能。高性能混凝土的生产主要是利用混凝土外加剂对普通混凝土进行改性。利用纳米技术和纳米材料开发新型的混凝土外加剂，增加混凝土外加剂的品种，提高混凝土外加剂的性能和对混凝土改性的效果，并减少副作用。还可以利用纳米技术，开发硅酸盐系胶凝材料的超细粉碎技术和颗粒球形化技术以及可实用化的先进技术，可大幅度提高水泥熟料的水化率，在保证混凝土强度的前提下，若能降低水泥用量20%~25%，则会产生巨大的经济效益，并可降低资源负荷和环境负荷。

利用纳米矿粉不但可以填充水泥的空隙，提高混凝土的流动度，更重要的是可改善混凝土中水泥石与骨料的界面结构，使混凝土强度、抗渗性与耐久性均得以提高。纳米矿粉主要包括纳米SiO2、纳米CaCO3和纳米硅粉等。据有关文献报道，当纳米矿粉的掺量为水泥用量的1%~3%，并在高速混拌机中与其他混合料干混(或是制成溶胶由拌合水带入)后，制备成纳米复合水泥混凝土结构材料，其7天和28天龄期的水泥硬化浆体的强度比未掺纳米矿粉的水泥硬化浆体的强度提高约50%，且其韧性、耐久性等性能也得到改善。这主要是纳

米粒子的表面效应和小尺寸效应在起作用，因为当粒子的尺寸减小到纳米级时，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积和表面能都会迅速增加，因而其化学活性和催化活性等与普通粒子相比都发生了很大的变化，导致纳米矿粉与水化产物大量键合，并以纳米矿粉为晶核，在其颗粒表面形成水化硅酸钙凝胶相，把松散的水化硅酸钙凝胶变成纳米矿粉为核心的网状结构，降低了水泥石的徐变度，从而提高了水泥硬化浆体的强度和其他性能。

高脆低韧是混凝土材料的固有问题,其抗拉应变只有0.02%以下，抗压应变只有0.2%左右。利用纳米材料的特性提高混凝土弹性和韧性，在建筑应用中可提高建筑物防震能力及其他相关性能。其办法之一为微观复合化。所谓微观复合,是引入具有一定柔韧性的物质，如氯丁橡胶等高分子物质或纳米级材料。引入柔性材料，可有效的改善混凝土的韧性，但往往带来强度和刚度的损失。但对高强混凝土来说是不利的，因此必须寻找一种和水泥混凝土有良好亲和性的柔性高强材料。这随着高强高分子材料研究的深入，是有望实现的。而纳米材料的研究如果能把水泥制成纳米颗粒，并在水化后，形成纳米微水化产物，也有可能改善其韧性，这方面的纳米技术在现代混凝土中的应用混凝土材料是当今世界用途最广、用量最大的建筑材料之一。随着21世纪混凝土工程的大型化、巨型化、工程环境的超复杂化以及应用领域的不断扩大，人们对混凝土材料提出了更高的要求，混凝土材料的高性能化(High Performance Concrete) 和高功能化(High

Function Concrete)是21世纪混凝土材料科学和工程技术发展的重点和方向。随着现代材料科学的不断进步，以及纳米技术在各领域的渗透，使得混凝土高强、高性能、多功能和智能化方向发展成为可能。超高耐久性混凝土材料、智能混凝土材料、吸收电波的混凝土幕墙、确保植物生长的混凝土材料、防菌混凝土材料以及净化汽车尾气的混凝土材料，这些混凝土材料的出现一改传统混凝土的局限，极大地扩展了混凝土的应用领域，给混凝土行业带来了崭新的生命力。

此外，为了提高混凝土的寿命，防止腐蚀老化，可在多孔的混凝土中使用浸渍涂覆等技术进行表面处理。在混凝土内进行Ca、Mg、Al离子的反应使混凝土内部和表面形成玻璃态，最后形成的涂覆材料是以硅酸盐为主要成分的纳米胶态材料,可使混凝土强度提高2~10 倍，使用寿命提高3倍以上，并提高表面硬度和防水性，可用于建筑、铁路、道路路面、港湾、河川、水坝，也可用于屋顶防水。

日本针对恶劣环境下混凝土的钢筋锈蚀问题，研制了超高耐性的混凝土。掺加专用的耐久性改善剂可以显著隔断酸性气体及分的浸透和扩散，干缩、碳化、耐冻融循环和氯离子渗透力大大改善，可以制作出使用寿命为500 年乃至1000 年以上的混凝土。

二、纳米技术改善混凝土功能单一的问题

到目前为止，所使用的混凝土绝大部分是只具有单一功能的混凝土，例如满足力学要求，满足保温隔热要求等。随着建筑的智能化和多功能化，必然要求混凝土是具有多种功能复合的结构材料，即不仅满足力学要求且兼具其他特殊功能。目前功能型混凝土研究已经崭露头角，展示出极大的生命力。

1、环境友好混凝土

利用纳米材料量子尺寸效应和光催化效应等性质，使混凝土具备吸收电磁波功能，环境净化功能，分解有毒物质，分解某些微生物，净化空气，净化地表水等，可在空间和地面同时起到保护环境的良好作用。

⑴吸收电磁波的混凝土

随着科学技术的发展，越来越多的电磁辐射设施进入了人类生活和生产的各个领域，据报道，其人为的环境电磁能量密度每年增长可达7%~14%，客观上已形成电磁辐射污染，并被国际上公认为第五害。利用纳米金属粉末的特殊性能，把它掺入到水泥混凝土中，可以制成具有功能性的电磁屏蔽混凝土。方法是把纳米金属粉末与混凝土混合料干混均匀后，带入到混凝土中，参与水泥的水化过程。用此法制备的混凝土既有可能降低混凝土结构的重量，提高混凝土的承载能力和

耐冲击性，又有很好的电磁屏蔽功能，甚至可以用来制作隐身混凝土，用于军事建筑。

日本专利JP77027355B“混凝土或砂浆中掺加吸波剂”报导，在混凝土或砂浆中掺加铁氧体纳米材料，使其具有吸波性。由于其铁氧体是直接简单地掺入砂浆或混凝土中，铁氧体不能有效发挥吸波效果，故吸波效果比较差，达不到治理电磁辐射污染作用。

有文献报导将纤维混凝土板或轻质混凝土应用于外墙板中作为建筑用吸波材料，但所能吸收的电磁波频率比较窄，吸波效率比较低，尚不能有效治理电磁辐射污染，该研究尚在起步阶段。

近年来，为防止电视影像障碍，提高画面质量，采用了金属纤维、碳纤维、有孔玻璃珠和铁粒子混合的吸收电波混凝土。日本大成建设技术研究所工业化开发了稳定吸收电波的烧结铁酸盐的混凝土幕墙。其主要材料为普通硅酸盐水泥、烧结Mn-Zn系铁酸盐集料、3mm长沥青基卷发状碳纤维以及多碳酸盐系减水剂和稀酸系树脂乳液和增粘剂。电波吸收性能为90~450MHz范围内。该项技术在日本东京的高层建筑中试应用，取得了良好的效果。

⑵净水生态环境材料