纳米技术在现代混凝土中的应用

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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
将高活性的纳米净水组分与多孔混凝土复合， 利用其多孔性和粗糙特性，使其具有渗流净化水质功能和适应生物生息场所及自然景观效果。净水生态混凝土用于河水、池塘水、地下污水源净化，保护居住生态环境方面有积极的意义。在海水净化的过程中，多孔混凝土对全有机态碳(TOC)的除去率可提高到70%。小野田公司将加气混凝土类的多孔质材料作为畜产排泄污水净化和有机肥料化的辅助材料，尤其是持续吸附除去污水中的磷效果非常好。此外，加气混凝土颗粒作为药液的载体十分有效。宫崎将它用于处理赤潮等异常繁殖的浮游生物的驱除。2～5mm 的加气混凝土颗粒吸收双氧水之后，投放到发生浮游生物的海水中，效果非常显著。
⑶净化空气混凝土
空气污染对人类的健康有直接的危害，为了净化各种有害气体人们研究了各种净化空气材料。按其特性可分类为：物理吸附型、化学吸附型、离子交换型、光催化型和稀土激活型材料，其共同的技术特点都是应用了纳米技术和纳米效应提升和强化其空气净化功效。锐钛型纳米TiO2 是一种优良的光催化剂，它具有净化空气、杀菌、除臭、表面自洁等特殊功能。在砂浆或混凝土中添加纳米级等组分，制成光催化混凝土，能将空气中的二氧化硫、氮氧化物等对人体有害的污染气体进行分解去除， 起到净化空气的作用。日本1998 年就将其应用于道路工程。日本玉田教授用粉煤灰合成小颗粒状人工沸石集料制作多孔的吸音混凝土，并用水泥与沸石混合加入纳米TiO2 粉末制作面层材料。在吸收有害气体的同时，多孔混凝土可以吸音，其范围在400～2000Hz，从而起到减少噪音污染的作用。
⑷抗菌混凝土
抗菌环境材料在日本颇为盛行，它是由纳米级抗菌防霉组分与环境材料复合制成的。最初是为医院防止病毒感染而研制的，以地板材、墙材、地毡、壁纸等产品为主。近年来出现了抗菌防霉混凝土，它是在传统混凝土中掺入纳米级抗菌防霉组分，使混凝土具有抑制霉菌生长和灭菌效果，该混凝土已被应用于畜牧场建筑物。
⑸自动调湿混凝土
纳米级天然沸石与建筑砂浆复合可以制成自动调湿建筑砂浆。环境调湿性建筑砂浆的特点是：优先吸附水分，水蒸气压低的地方，其吸湿容量大；吸放湿与温度相关，温度上升时放湿，温度下降时吸湿。这类材料比较适合对湿度控制要求比较高的美术馆之类的建筑环境。如：世界首例使用环境调湿建材的工程是1991 年日本月黑雅叙园美术馆内壁，此后还用于成天山书法美术馆、东京摄影美术馆等。
⑹生态混凝土
根据人们的要求，经特殊处理的混凝土表面还可以滋生绿色植物，净化空气美化环境，用于地面，可保水蓄水，用于墙面和屋顶，可隔热降温。
2 、智能混凝土
智能材料是21 世纪极有发展前途的材料。利用纳米技术和纳米材料研制智能混凝土，使其能够实现“ 自我诊断”、“ 自我调节”、“ 自我修复”的研究正在逐步深入。这对提高结构性能，延长结构的寿命、提高安全性和耐久性都有重要意义。
所谓智能预警混凝土就是利用纳米技术，使混凝土在产生破坏前具有报警功能，避免事故的发生。1992 年日本清水建设的杉田先生就研究了用高强度碳纤维高弹性碳纤维等三种不同碳纤维制作的具有“自我诊断”功能的智能混凝土。该混凝土根据碳纤维的导电性，测试电阻的变化，建立电阻与载体之间的模型，可预测混凝土结构的破坏，这一研究对重要混凝土结构确保安全十分重要。
目前大多数混凝土工程损坏后不易修复，通过纳米技术的机制，调动混凝土自身的原子微区反应， 可以实现自我修复，延长工程寿命，提高建筑物的安全性。国内的研究表明，掺有活性掺和料和纳米复合有机纤维的混凝土破坏后其抗拉强度存在自愈合现象；国外研究混凝土裂缝自愈合的方法是在水泥基材料中掺入特殊的修复材料，使混凝土结构在使用过程中发生损伤时，修复材料(粘结剂)进行恢复甚至提高混凝土材料的性能。美国伊利诺伊斯大学的Carolyn Dry采用在空心玻璃纤维中注入缩醛高分子溶液作为粘结剂，埋入混凝土中，制成具有自修复智能混凝土。当混凝土结构在使用过程中发生损伤时，空心玻璃纤维中的粘结剂流出愈合损伤，恢复甚至提高混凝土材料的性能。日本学者H. Hiarshi 采用在水泥基材内复合内含粘结剂的微胶囊(称为液芯胶囊)制成具有自修复智能混凝土。一旦混凝土材料出现损伤裂纹时，该裂纹附近的部分由于拉力作用而使部分胶囊破裂，凝结液流出，使损伤处重新粘合，达到自愈合的效果。
伴随着人类进入2 1 世纪，高性能、高功能化混凝土作为建筑材料领域的高新技术，为传统建材的未来发展注入了新的内容和活力，并提供了全新的机遇。随着建筑业的发展，将混凝土设计成满足不同环境和功能要求的建筑材料将越来越受到人们的青睐，传统的混凝土材料发展正步入科技创新轨道，其中，纳米技术势必将扮演越来越重要的角色。

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