纳米材料在混凝土中的运用

秦营霞 粱玉岭

（中交路桥南方工程有限公司，北京 101121）

纳米材料在混凝土中的运用

秦营霞 粱玉岭

（中交路桥南方工程有限公司，北京 101121）

在混凝土中结合纳米材料，能够提升混凝土的持久性能等，因此相关领域的专家与学者逐渐提高了对此研究的重视。文章通过对当前世界范围内已取得成功应用效果的氧化硅、氧化钙以及金属氧化物等纳米材料在混凝土中的应用进行分析，总结了纳米材料应用的优势之处与亟待改善之处，希望可以为优化纳米材料在混凝土中的应用提供理论基础。

纳米材料；混凝土；金属氧化物；持久性能；建筑材料

混凝土作为应用范围最广、使用数量最多的传统建筑材料之一，自从被研制以来，在人们的生活中起到了非常重要的作用。当前混凝土产量正呈每年2～3成的涨幅上升。另外，随着人们生活品质的不断提升，对于混凝土质量与性能也提出了更高的要求。科学技术的快速革新，使混凝土呈现智能化的趋势发展。在此形势下，高科技纳米材料被应用到混凝土中，在满足建筑需求的基础上，更能够显著提升混凝土的各方面性能。

1 纳米材料

纳米材料最初研制于20世纪80年代中期，虽然迄今为止也不过30余年的发展历程，但是其发展成果非常显著，其功能性也在不断丰富与创新。纳米材料的直径一般在1～100纳米之间，通常表现为粒子状态，位于原子团簇和宏观个体节点位置，纳米材料的种类主要有纳米颗粒、纤维型纳米材料、管状纳米材料、固态纳米材料、复合型纳米材料等。纳米材料相比于宏观物质，具有更多特殊作用，如量子作用、宏观隧道效应等。除此之外，纳米材料还具备电、力、光等能源物质的效用。纳米材料自从诞生以来，就一直受到世界范围内很多国家的关注和重视，并纷纷投入大量资金和精力，用于纳米技术的研究和新型纳米材料的研发。在建筑行业，相关领域专家与学者，也在不断寻求更加科学的方法，优化纳米材料在混凝土中的应用，从当前的研究成果来看，目前已经发现了一些有助于提升混凝土性能的无机材料和金属氧化物，另外，氧化钙、碳酸钙等纳米材料也在水泥混凝土中取得了较为显著的应用效果。

2 纳米材料在混凝土中的运用

2.1 纳米二氧化硅材料在混凝土中的应用

纳米二氧化硅在混凝土中的主要用途在于吸收路面空气中的氮氧化物和硫化物等有毒气体或者用于净化新装房屋中的甲醛等有害气体，将纳米二氧化硅材料应用到混凝土中，具有较高的环保性能。纳米二氧化硅置于混凝土中，会发生光催化反应，相比于其他能够发生光催化反应的半导体材料，纳米二氧化硅材料所需的成本更低，而且反应效率更高，且不会产生有害物质，具有较高的环保特性。除了催化反应之外，纳米二氧化硅材料还能够显著提升混凝土的物理性能，具体表现在混凝土的防渗透性、抗弯曲性、耐磨损性能、机械性能等。

2.2 纳米碳酸钙材料在混凝土中的应用

将纳米碳酸钙材料应用到混凝土中，所需的材料成本更低，通常纳米二氧化硅材料的价格，是纳米碳酸钙氧化物材料的10倍，因此在我国，纳米碳酸钙材料比纳米二氧化硅材料拥有更为广泛的应用范围。通过试验表明，纳米二氧化硅材料与纳米碳酸钙材料，对于混凝土的前期影响大致相同，并无明显差异，都可以显著提升混凝土的强度，不过对于混凝土后期强度的影响较弱。两种材料混合加入混凝土中，对于混凝土各方面性能的提升效果更加显著。在混凝土中添加适量的纳米碳酸钙材料，能够较为显著地缓解混凝土早期的氯离子渗透性能。如果纳米碳酸钙材料添加过量，反而会与混凝土中的水化硫铝酸钙发生反应，体积增大，进而使混凝土结构不稳定，强度降低。

2.3 纳米金属氧化物在混凝土中的应用

纳米氧化物主要应用于智能混凝土，可以弥补无机非金属材料韧性不足的问题，防止混凝土脆性较大，出现瞬发断裂的情况，避免造成严重的人员伤亡和财产损失。将纳米金属氧化物应用到自感应混凝土中，能够使混凝土自带导电效果，从而起到传感作用，能够运用此原理实现对于汽车载重的检验。除此之外，纳米金属氧化物材料还可以被运用到水泥混凝土中，不但能够提升混凝土的各方面性能，还能够保持混凝土的环保作用。另外，纳米氧化物材料制作的压电混凝土，还能够生产大量的电能，起到能源高效利用的效果。不过从当前的实践效果来看，技术成果并不明显。

2.4 碳纳米纤维在混凝土中的应用

当前碳纳米纤维材料在实际应用中具有较为显著的成果。碳纳米纤维材料属于中空管道，能够与水状混凝土发生良性的互助效果，碳纳米纤维材料具有较高的弹性，所以能够使混凝土的承担应力增强，防止裂纹现象的发生。碳纳米纤维材料还可以增强混凝土的机械性能，如抗压能力、防裂缝能力、防磁化能力等，除此之外，碳纳米纤维材料还可以用于桥梁等大型工程的修建，提高建筑材料的韧性，避免材料过脆引发建筑瞬间断裂的现象发生，保障人员和财产安全。但是由于碳纳米纤维材料的生产成本较高，较高的价格成为阻碍碳纳米纤维材料在混凝土中广泛应用的主要原因。

3 纳米材料与特种混凝土

3.1 高韧性混凝土

通常情况下，混凝土抗拉应变系数在0.2%左右，近年来的相关研究表明，在特种混凝土中添加纳米材料，能够显著优化混凝土的弹性和韧性。也就是说，如果在混凝土中添加韧性较高，而且更易与水泥发生反应的纳米材料，将可以使混凝土的韧性得到进一步提升，这属于“微观复合反应”。

3.2 高寿命混凝土

在多孔混凝土外表面涂覆钙、镁等材料，会使混凝土发生离子反应，进而形成玻璃态的纳米胶态材料，其中含有丰富的硅酸盐，能够使混凝土的强度增强10倍左右。除此之外，还能够改善混凝土表面防水性能，进而延长混凝土的使用寿命。通常情况下，这类型的混凝土主要应用于道路、房屋等工程建设中。日本在最新研究中发现，在混凝土中加入具有防酸性强的添加剂，有助于改善混凝土的碳化和防冻等性能，最高可使混凝土的使用年限超过500年。

3.3 生态混凝土

将活性较高的纳米材料通过净水处理，添加到多孔混凝土中，借助混凝土的多孔性和粗糙性，可以使混凝土具备水质净化效果，并有助于混凝土适应生态环境，优化景观，形成生态型混凝土。当前生态混凝土主要应用于河流、池塘以及地下管道的水质优化等工程中对于保护生态环境具有非常重要的促进作用。将生态混凝土应用到海水净化工程中，其去碳效率高达70%以上。

将加气混凝土类的多孔质材料，用于有机肥料的排污中，能够大幅度去除污水中的磷元素，除此之外，加气混凝土还能够应用于药液的承载，效果十分显著。随着人们环保意识的加强，有研究人员尝试将具有特殊效用的混凝土添加到绿色植物的培植中，不但能够净化空气，提升植物的美观性，还有助于植物土壤的蓄水效果。将纳米材料混凝土应用于房屋建筑中，还有助于增强墙面的隔热效果。

4 运用纳米材料的问题及对策

通过分析国内外研究成果发现，对于纳米技术在混凝土中应用的优势之处主要可总结为以下三个方面：其一是能够提升混凝土级别，因为纳米材料的颗粒非常微细，可以有效地与混凝土中其他成分相配合，进而增强混凝土的性能；其二是填充效果。纳米材料凭借其直径小的特点，可以填充在混凝土的缝隙间，进而降低无机非金属材料出现裂缝的可能性，除此之外，还能够提升混凝土的防渗透性能，增强混凝土的强度和持久性能；其三是加快水泥水化速度，因为在纳米材料添加到混凝土中的前期，能够生成大规模的晶核，并达到水泥水化物的中央区域，加快水化速度，增强混凝土在前期的强度和各方面性能，其实是一些纳米材料能够在混凝土中发挥较强的催化作用和抵御细菌的功效。

在纳米材料应用到混凝土的实践过程中，也存在一些需要改进的问题：其一是会使混凝土用水量大幅上升，这是因为纳米材料的颗粒非常细小，与其他材料融合过程中会产生大量缝隙，在此过程中常常需要添加更多的水量，但是随着水量的增多，又必然会导致混凝土的强度减弱。因此在纳米材料在混凝土的实践运用中，应当平衡好纳米颗粒投入量与混凝土强度的关系；其二是要合理应用纳米材料的分散现象，因为纳米材料表面拥有较好的活性，这有助于其颗粒有效聚合，相比于没有出现分散现象的纳米材料，分散后的纳米材料能够更加显著地提升混凝土的性能，虽然有研究者尝试在纳米材料表面添加活性剂，但是在显著提升其分散性的同时，也大幅增加了混凝土的生产成本；其三要注意到纳米材料在提升混凝土某一性能的同时，有可能导致其他方面性能的减弱，因此在应用过程中要全面分析，协调好二者之间的关系；其四是要控制好添加剂对纳米材料的影响，防止强化剂、混合剂、吸水剂等添加剂的加入，会减弱纳米材料的性能。

5 结语

虽然当前对于纳米材料在混凝土中应用的研究体系尚不成熟，但是纳米材料的优越性是无可置疑的，不但能够显著增强混凝土的各方面性能，还能够丰富混凝土的用途。本研究以纳米二氧化硅材料、纳米金属氧化物、碳纳米纤维为例，对纳米材料在混凝土中的应用进行分析，同时也指出了纳米材料应用过程中的有待改进之处，相信随着科学技术的不断发展，纳米材料的应用必然得到进一步优化。

[1]魏湫龙，蒋周阳，谭双双，李启东，麦立强．钒氧化物纳米材料在钠离子电池中的应用[J]．硅酸盐学报，2016，5（8）.

[2]王超，许伊，侯俊，王沛芳，尤国祥，苗令占，吕博文．人工纳米材料在水-生物膜体系中的环境行为与毒性效应研究进展[J]．环境工程学报，2016，8（8）.

[3]佘安明，徐玉敬．纳米碳酸钙在混凝土中的应用研究进展[J]．混凝土世界，2016，10（9）.

[4]张晓媛，顾平，张光辉．纳米材料在放射性废水处理中的吸附应用[J]．环境化学，2016，10（1）.

（责任编辑：蒋建华）

TU528

1009-2374（2017）12-0060-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.031

秦营霞（1978-），女，河北泊头人，中交路桥南方工程有限公司助理工程师，研究方向：公路工程。

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