纳米材料在土木工程材料中应用进展

纳米材料在土木工程材料中应用进展

班级：11333101 学号：1133310124 姓名：魏鹏

摘要: 随着土木工程的不断发展，应用和研发各种新型材料，对土木工程材料的改性具有深远的意义。纳米材料作为一种新型材料与传统材料相比，具有4 大特殊效应: 分别为小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应，因此它具有常规材料所不具备的特殊性能。如采用纳米材料改良岩土体性质以及混凝土，本文重点对近年来纳米材料在土木工程材料的最新应用进展进行概述，并对纳米材料将来在土木工程中的发展方向进行了展望。

关键词:纳米材料; 土木工程；进展；混凝土

引言

纳米材料是指粒径在1 ～ 100nm 范围之间的单晶体或多晶体材料，由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，导致纳米材料具有小尺寸效应、量子效应( 宏观量子隧道效应) 、表面效应和界面效应，因此它具有常规材料所不具备的特有性能，其在化学、生物医学、材料学、能源、环保、岩土工程、地质等多个领域有着极其广泛的应用，被科学家们誉为“新世纪最有前途的材料”。

随着我国经济建设的快速发展，土木工程建设的规模越来越大，环境越来越复杂，迫切需要新型的高性能建筑材料来满足日益增长的工程需求，纳米材料以其特有的性质引起了众多科研工作者与技术人员的关注，国内外已有一些有益的探索。为了掌握近年来纳米材料在土木工程领域应用的最新研究进展，本文对纳米材料在水泥基材料、水泥土、混凝土等方面的研究现状进行了总结。目前，国内外使用的纳米材料主要有: 纳米硅粉( Si) 、纳米二氧化硅( SiO2) 、纳米碳酸钙( CaCO3) 等。

1 水泥基材料

H. F. W. Tayor 从20 世纪90 年代初对水泥水化产物进行研究，发现实际上水泥基材料中约为70%的水化产物———对强度发挥最关键作用的C—S—H 凝胶，其本身即具有纳米尺度。此外，还有纳米尺寸的孤立孔、毛细孔和较大晶体水化产物，胶凝材料中90%以上的凝胶孔为纳米尺度，纳米材料可以填充水泥浆体中的孔隙，对水泥基材料进行纳米改性具有良好的基础。同时，纳米材料粒径达到纳米级，其比表面积、表面能、表面原子数和粉体的需水量都显著增加，对水泥基复合材料的水化过程、水化产物与结构、强度及耐久性等会有一定的影响。唐明等( 2003) 评价了纳米级SiOx与硅灰的颗粒形貌，将纳米SiOx与硅灰复合作为高活性的参合料，讨论了纳米级SiOx与硅灰对水泥基材料的复合改性效应。由于纳米级SiOx和硅灰具有较高的活性和表面效应，复合掺入纳米级SiOx 与硅灰，水化28 天的产物中Ca ( OH)2相显著减少; C－ S － H 凝胶相显著增加，交织成致密的网状结构，结构缺陷显著降低，纳米级SiOx与硅灰复合后有利于水泥基材料的力学性能的改善。王立久等( 2003)

研究了纳米SiO2对浆体流动性、水泥凝结时间、抗压与抗折强度的影响分析了其对水泥性能影响的机理。结果表明，纳米SiO2具有良好的水泥适应性，能较好改善硅酸盐水泥的性能。Hui Li 等( 2004) 对掺加纳米SiO2和纳米Fe2 O3的水泥砂浆力学性能进行研究，发现掺加纳米颗粒的砂浆抗压强度和抗弯强度均有提高。从立庆( 2004) 探讨了纳米级SiO2和硅灰活性的水泥基材料的改性的研究，提出复合改性后的水泥硬化浆体其抗压强度、抗渗性能和孔隙率都得到明显改善。Byung-Wan Jo 等( 2007) 提出纳米SiO2显著改善砂浆的微观结构和促进火山灰反应，就提高砂浆强度而言，纳米SiO2要比硅灰更适合作为外掺剂。王秀红等( 2007) 在纤维增强水泥中掺入微硅粉，明显提高了纤维增强水泥的抗冻融能力，改善了纤维增强水泥的抗反复湿热能力。孙中华等( 2009) 表征了纳米SiO2和ZrO2对硅酸盐水泥砂浆改性后的试样，发现在固定水灰比为0. 5 时，复掺2% 纳米SiO2和0．25%ZrO2共同发挥纳米诱导水化作用，生成更多的C—S—H 凝胶并向着针柱状形貌生长，细化了Ca( OH)2使其镶嵌在C － S － H 凝胶和钙钒石中，使得C—S—H 凝胶与钙矾石紧密交织，减少水泥石中总孔隙率，水泥石的结构更加细化密实，使抗压强度明显高于同龄期标准试样。。马先伟( 2010) 分析了超细CaCO3和纳米SiO2对水泥饰面砂浆的标准稠度、凝结时间、强度、化学结合水、孔隙体积和干缩性能的影响。研究发现，纳米SiO2可以提高其抗压强度和结合水量，降低了孔隙体积，但是使凝结过快，增加了标准用水量和干缩; 当再引入超细CaCO3，明显改善了干缩和凝结性能，并使强度和密实度进一步提高。杜惠荣( 2011) 将纳米氮化硅粉体掺入到水泥中，探讨其对水泥综合物理力学性能及耐腐蚀性的影响，并采用扫描电镜( SEM) 对其改性机理进行了初步研究。研究表明，纳米氮化硅粉体能显著提高水泥净浆和胶砂的抗压强度、抗折强度及耐腐蚀性能。董健苗等( 2011) 采用高速研磨搅拌、高速研磨搅拌+ 超声波分散等方法对纳米SiO2进行分散，纳米SiO2掺量为水泥质量的0. 5%、1%，试验结果表明，采用上述分散方法试块抗压、抗折强度均明显提高。常利武等( 2011) 以水泥砂浆为基体和多壁碳纳米管为增强组分，采用不同的分散剂和分散方法制备碳纳米管水泥砂浆. 通过对碳纳米管水泥砂浆标准试件的3 点弯曲试验，研究了分散剂类型及其掺量、水灰比、碳纳米管掺加量对碳纳米管水泥砂浆梁弯曲性能的影响。结果显示: 分散剂与碳纳米管的质量比存在一个临界值，当分散剂掺加量大于或小于此值时，所得碳纳米管水泥砂浆梁的挠曲强度均有不同程度的减小; 碳纳米管掺加量存在一个最优值，当掺量大于或小于此值时，其增强效果减弱; 随着水灰比的增加，碳纳米管水泥砂浆梁的挠曲强度反而有所提高，其相应砂浆的流动性要比相同水灰比素水泥砂浆的流动性要差。

2 水泥土

水泥土作为一种经济的工程材料，被广泛应用在交通、建筑、海洋、矿物等领域. 为了提高水泥土的工程性能，国内外已有学者和技术人员将纳米材料作为新材料用于水泥土改性。王立峰等( 2002) 将纳米硅基氧化物作为水泥土的外加剂，进行了三轴试验，探讨了纳来水泥土抗压强度的影响因素及其变化规律，提出纳米硅基氧化物可以显著提高复合纳米材料水泥土的抗压强度。朱向荣等( 2003) 选取纳米硅作为水泥土的外掺剂，认为纳米硅对水

泥土强度及变形模量的增强作用明显，影响纳米硅水泥土强度大小的因素依次为: 水泥掺量、纳米硅掺量和土的含水量。曾庆军等( 2007) 分析了纳米硅粉水泥土的抗腐蚀性能，提出硫酸盐腐蚀环境能加速纳米硅粉和水泥水化产物的二次水化反应，大幅提高水泥土的强度，适量纳米硅粉能显著提高水泥土的抗腐蚀性能。王立峰等( 2005，2010) 建立了多种纳米硅水泥土的本构模型，并应用有限元相关软件对其合理性进行了验证，同时以某机场水泥土搅拌桩地基处理方法作为工程背景，应用不同纳米硅掺量的水泥土作为地基处理的新材料，与传统水泥土进行了比较，计算结果表明，纳米硅作为水泥土外加剂用于地基处理可有效地减少地基沉降，提高地基承载力。

3 混凝土

随着2l 世纪混凝土工程的大型化、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，具有高强、高耐久性、高流动性和体积稳定性的高性能混凝土和高功能混凝土是今后混凝土材料科学发展的重点和方向。巴恒静等( 2003) 将纳米纤维材料及活性球形掺合料复合应用于高性能混凝土，发现纳米纤维材料改善了体系颗粒级配及二级界面显微结构，增加了密实度; 天然纳米纤维材料可以提高其抗弯强度达50%，抗压强度21%，能够提高混凝土抗冻性、抗渗性。杜应吉等( 2005) 利用纳米微粉的高化学活性和微粒性，通过混凝土耐久性试验研究，研制出新型混凝土改性剂，当纳米微粉的掺量为1 ～ 3g /kg 时，混凝土的抗渗等级提高30%，抗冻等级提高50%。仲晓林等( 2006)研究了纳米粘土材料对混凝土的水化作用机理，在一定掺量时，在水化混凝土中掺纳米粘土材料可提高水化混凝土的流动度、抗压强度和抗渗、抗冻融性。杨瑞海等( 2007) 研究了加入不同比例复合纳米材料( SiO2、CaCO3、硅灰) 和掺30% ～ 40% 四掺复合掺合料的胶砂和C40 级混凝土的性能，相对于基准C40 级混凝土，掺入复合掺合料和复合纳米材料配制的C40 级混凝土的流动性和抗硫酸盐、氯离子侵蚀的能力均有所增强，其抗压强度提高约20%; 复合纳米材料掺入减水剂用于混凝土的效果优于掺入复合掺合料用于混凝土，复合纳米材料掺入减水剂中解决了纳米材料易于团聚的问题，掺入量为减水剂质量的0. 5% ～ 1. 0%。

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