纳米材料增强水泥基材料性能研究

王洪波

(黑龙江大学 建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

随着工程结构各方面的发展要素和混凝土材料的急速扩大，混凝土凭借着低成本、取材方便以及使用可靠性等优点，被人们所认可和接受。随着人们在建筑和交通设施中大量使用混凝土结构，加速了基础建设的进程。但其实混凝土结构本身有脆弱性大，韧性不足，自重力大，极度延伸率低[1]，耐久性不好，结构容易突然破坏等缺点。所以，研究人员决定掺加部分独特效果的纳米材料在混凝土中，使得力学性能、智能传感以及抗冻抗渗性得到了改善。纳米材料的广泛应用，突破了传统建筑行的业技术壁垒，成为土建行业的焦点。

1 常见纳米材料

一般来说，纳米材料是指其晶粒大小介于1～10 nm范围之间的结构材料[2]。由于比表面积大，表面能高等优点，使其在熔点、导热、导电等性能上往往优于其同物质非纳米材料。纳米级新材料已在国防、电子、轻重工业、化学等领域广泛应用，其中纳米SiO2和纳米CaCO3材料应用更为广泛，被认为是“21世纪最有前途的材料”[3]。

1.1 纳米二氧化硅

纳米SiO2(NS)粒径很小，具有很强的火山灰活性和成核效应。理论上说，NS是活性混合材料，完全可以用于混凝土制造，但是，由于NS的高成本、分散困难，因此作为水泥基掺合料的实用性备受关注。

Durgun M Y等[4]以三种不同粒径和掺量的纳米SiO2(CNS)作为掺合料，研究其对自密实混凝土(SCC)的流动性的影响。结果表明，CNS的使用是降低SCC混合料细料总量的一种非常有效的方法，且CNS的平均粒径越小，其有效性越强。在流动性能方面上，对于35nm、17nm和5nm的三种粒径大小的CNS最佳掺量分别为1.5%、1.0%和0.3%。

为降低普通硅酸盐水泥的用量，研究人员致力于研制碱活化胶凝剂。然而，黏结剂的关键工程性能不仅取决于碱性活化剂的浓度，还取决于原料的化学成分和细度。为了改善碱活化混凝土的反应动力学，提高其机械强度，Mohamed Ibrahim等[5]提出用纳米SiO2部分取代天然火山灰，测定了碱活化砂浆的凝结时间和流动性，监测了60℃养护后混凝土抗压强度，并通过SEM和XRD技术分析其微观形貌和物相信息。结果表明，在混凝土中掺入5%纳米SiO2，其抗压强度和微观结构特征均有较大改善；硅酸钠与氢氧化钠的配比为2.5，是获得高强度的适宜条件。

1.2 纳米碳酸钙

20世纪80年代纳米CaCO3(NC)逐渐进入大众的视野，其粒径在0.01～0.1 nm之间，由于其颗粒超微细化、晶体结构和表面电子结构等优点，与普通CaCO3材料相比，纳米CaCO3具有量子尺寸效应和表面效应。

黄政宇等[6]利用收缩设备、扫描电子显微镜和力学测试，在微观及宏观结构上，分析高性能混凝土中掺加NC后流动性、收缩性及力学性能的影响。结果表明，随着NC含量的增加，水泥浆的流动性减小，高性能混凝土的抗压、抗弯强度大幅度提高。当水胶比为0.15时，3%高性能混凝土的抗弯强度为30.94 MPa，提高28.22%；从微观的角度来看，NC的加入增加了水合产物，改进了高性能混凝土的多孔结构，减少了内部缺陷，并使基体更紧凑。

Tao Meng等[7]在粉煤灰混凝土中掺入NC，对其力学性能和微观结构进行研究和分析。发现NC的结晶程度良好,结晶粒大小在60～80 nm之间变化。在混凝土中混入NC后，NC的填充和散布作用会加速水泥的水化作用，因此早期添加粉煤灰以及不添加的混凝土抗压强度都有显著提高；与未添加NC的空白混凝土相比，添加NC的空白混凝土强度比明显提高，正是因为NC替代了2%的黏结剂，说明NC可以加速粉煤灰的水化。

由此可以看出，NS与NC由于其自身具有的优点，当其被加入混凝土材料后，发挥了其优势，改善了混凝土材料内部缺陷，增强了力学性能。

2 纳米金属氧化物

目前，纳米TiO2和纳米MgO已被广泛应用于生活生产中，其中纳米TiO2主要用于催化领域，一种是主催化剂，一种是以纳米为载体的负载催化剂。

2.1 纳米二氧化钛

纳米TiO2，即钛白粉，直径<100 nm，为白色疏松粉末，有良好的超亲水性、耐候性和光催化性。

Ehsan Mohseni等[8]通过在砂浆中掺入稻壳灰和纳米TiO2进行研究，得出纳米二氧化钛和稻壳灰加入水泥试样中，抗压强度增加，且在10%稻壳灰和5%纳米TiO2的混合料时，其强度最佳；通过电阻试验、氯离子快速渗透和超声波脉冲速度表明，随着稻壳和纳米二氧化钛含量的增加，渗透性和耐久性均得到了显著提高。

Uthaman S等[9]通过加入纳米二氧化钛和纳米碳酸钙，为了克服了传统混凝土凝缩、水化滞后、早期强度低、碳化程度高的缺陷。为此，设计了四种不同的混凝土配合比，并浇筑了不同尺寸的试件。在水中养护28 d后，将试件置于海水中，分别于56、90、180和365 d时取出进行试验，探究混凝土的各种性能。结果表明，掺入纳米CaCO3和纳米TiO2，混凝土的火山灰活性提高，水化速率加快，且当掺量均为1%时最佳。

2.2 纳米氧化镁

研究表明，纳米金属氧化物对水泥基材料的耐久性、渗透性和抗压强度是有利的，并广泛地应用于光学、催化等领域。纳米MgO表面效应明显，也就是说，大表面面积和表面能量，使其具有良好的活性和烧结性的等特点。

Kai Yao等[10]为探讨纳米MgO对水泥强度特性和微结构的影响，通过大量实验加以说明。结果表明，纳米MgO有利于抗压强度的增强，在进一步利用电子扫描电镜(SEM)得出，纳米MgO的加入有助于组织致密化和非常均匀的固体组织的形成，增强其抗裂性能。

Riza Polat等[11]对纳米氧化镁水泥浆体和砂浆的力学性能、耐久性和微观结构性能进行了试验研究。结果显示，纳米MgO改善了混凝土的内部结构，提高了水泥的抗压强度。随着其掺量的增加，材料的自收缩和凝固时间逐渐缩短。控制混合物和纳米氧化镁混合物的最终水化热几乎相同。

3 纳米碳化物

3.1 多壁碳纳米管

碳纳米管(CNT)是一种轻质量的一维纳米材料，它们有不同的机械和化学性质。其中最突出的就是它的韧性，远超于任何纤维。

Yanfeng Ruan等[12]将四种多壁碳纳米管掺入活性粉末混凝土中，分别进行了水养护和热养护，探究其对混凝土力学性能的影响作用。实验结果表明，加入适当种类和含量的多壁碳纳米管可以有效地提高活性粉末混凝土的抗拉强度、断裂能、抗压强度/韧性和抗压强度比等力学性能。一般来说，热养护多壁碳纳米管填充活性粉末混凝土的力学性能远远超过用水养护，这表明热养护比水养护更有利于改善其冲击性能。

Waqas Latif Baloch等[13]研究了在高温条件下多壁碳纳米管混凝土的力学性能，包括抗压能力、抗拉强度、压力应变响应、压缩性硬度和质量损失。结果表明，轻质混凝土的脆弱性可以通过加入碳纳米管来改变，这使得它更容易拉伸；通过微观结构的研究，证明了多壁碳纳米管在混凝土基体中的均匀分布，纳米增强材料在界面两侧均存在裂纹，并对水合物进行了分解。

3.2 氧化石墨烯

氧化石墨烯为棕黄色的水中分散性良好的非传统形态氧化材料，具有优良的物理化学性质。

Liulei Lu等[14]对氧化石墨烯纳米对掺入水泥砂浆和高强度混凝土的特性进行了探究。结果表明，加入氧化石墨烯可以有效地增强水泥砂浆和超高强度混凝土的抗弯性能以及抗压性能，而且增强效果前者大于后者；扫描电子显微镜的观察结果表明，石墨氧化物纳米片在水泥基体中分布良好，石墨氧化物纳米片牢固地嵌入了周围的基体中。

郭凯等[15]研究了不同掺量的石墨氧化物混合物对不同龄期的再生混凝土气体渗透的影响。结果表明，随着氧化石墨含量的增加，再生混凝土的渗透性降低，效果并不理想；对于不同龄期的则表现为短龄期效果好些，可见氧化石墨烯有助于增强早期混凝土性能。

纳米碳化物在增强混凝土抗裂性能及抗腐蚀性能上起到了决定性作用，将其应用到临近海岸的工程中会取得良好的效果。但因其性价比的问题，想大量应用于工程是有难度的。

4 结 论

纳米材料是当今材料科学研究的前沿，纳米材料及其制备方法、处理方法在相对较短的时间内有了很大的发展。随着对这种神奇的纳米材料技术的认识不断提高，基于不同类型纳米材料的新建筑材料开发应用有望在建筑领域得到更广泛的接受。