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纳米技术在混凝土中的应用
2019年03月08日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:126
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混凝土是基本建筑材料,广泛运用于各种建筑物和构筑物。随着21世纪混凝土工程的大型化、工程环境的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。纳米技术可改善混凝土的性能,极大地扩展了混凝土的应用领域。

 

纳米材料改善混凝土的性能

1、纳米二氧化硅

纳米SiO2是有硅或有机硅的氯化物高温水解生成表面带有羟基的超微细粉末,在水泥混凝土领域,由于纳米SiO2具有极强的火山灰活性、微集料填充效应和晶核作用,可以增加混凝土的强度和耐久性。

 

张韶军等对不同应力水平下纳米SiO2水泥混凝土的疲劳试验

疲劳试验结果

纳米SiO2掺量

应力水平

疲劳次数

 

0.75%纳米SiO2掺量

0.70

2462

14515

133480

0.75

519

1512

60569

0.80

250

8633

29609

0.85

61

227

419

 

无纳米SiO2掺量

0.70

1751

15360

129512

0.75

833

3568

45583

0.80

109

4476

19575

0.85

23

147

233

     纳米SiO2水泥混凝土较普通混凝土的疲劳性能大为改善,高应力水平下疲劳寿命的提高效果更为明显


2、纳米碳酸钙

纳米CaCO3是一种活性低的矿物微粉材料,成本约为纳米SiO2的十分之一。掺入纳米碳酸钙粉体材料后,在微集料效应、晶核效应等的共同作用下,提高了堆积密度,有助于提高抗折和抗压强度;纳米碳酸钙的晶核作用可以细化晶型,改善界面结构,有助于混凝土耐久性的提高。


 添加纳米碳酸钙粉体材料(左)与普通试样(右)冻融15次的外观比较

 

3、碳纳米管

碳纳米管呈管状,重量轻,六边形结构连接完美,属于很好的高强度纤维材料。将适量的碳纳米管掺入水泥当中,可有效改善材料的孔结构和微裂纹,并起到桥联作用,从而提高水泥基材的力学性能。下图可见随着碳纳米管掺量的增加,抗折强度和抗压强度均有变化:


 

4、纳米碳纤维

纳米碳纤维是由层状结构的石墨片卷曲而形成的呈现纤维状的新型的纳米碳材料,与碳纳米管相比,它的成本比较小,在产量上有很大的优势。休斯顿大学Mo教授研究发现,掺适量纳米碳纤维不但使混凝土具有优良的压敏特性,还可以改善其力学性能。

 

纳米技术扩展混凝土的应用领域

1、吸收电磁波的混凝土

据报道,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,可以用于军事建筑。

 

2、净化空气混凝土

  空气污染对人类的健康有直接的危害,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

 

3、抗菌混凝土

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。

 

4、自动调湿混凝土

  通过添加关键组分纳米天然沸石粉制成的混凝土,可探测室内环境温度,并根据需要进行调控,满足人的居住或美术馆等建筑对湿度的控制要求,相比较于传统的利用温度湿度传感器控制器和复杂布线系统,使用和维护成本低。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。

 

5、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,形成生态型混凝土。经特殊处理的混凝土表面可以滋生绿色植物,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。

 

 

6、智能混凝土

有关智能混凝土“自我诊断”、“自我调节”、“自我修复”的研究正在逐步深入。

 

  1992 年日本清水建设的杉田先生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。

 

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

 

将混凝土设计成满足不同环境和功能要求的建筑材料将愈发受到人们的青睐,高性能、高功能化混凝土是21世纪混凝土材料科学和工程技术发展的重点,其中,纳米技术势必将扮演越来越重要的角色。

 

参考资料:

[1] 张韶军,张擎,冯勇.纳米二氧化硅水泥混凝土路用性能试验研究[J]交通建设与管理,2011;

[2] 姚福贵,刘炳华.浅析纳米碳酸钙对道路用混凝土耐久性能的影响[J]公路交通科技,2017;

[3] 孙瑞平.纳米材料对混凝土性能的影响分析[J]建材世界,2015;

[4] 梁晖,刘国军.纳米技术在现代混凝土中的应用[J]建材百业,2005

 

粉体圈 作者:曦析


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