納米材料在土木工程材料中應用進展

1、納米材料在土木工程材料中應用進展班級：11333101 學號：1133310124 姓名：魏鵬摘要：隨著土木工程的不斷發(fā)展，應用和研發(fā)各種新型材料，對土木工程材料的改性 具有深遠的意義。納米材料作為一種新型材料與傳統(tǒng)材料相比，具有4大特殊效應：分別 為小尺寸效應、量子效應、表面效應和界面效應，因此它具有常規(guī)材料所不具備的特殊性能。 如采用納米材料改良巖土體性質(zhì)以及混凝土，本文重點對近年來納米材料在土木工程材料的 最新應用進展進行概述，并對納米材料將來在土木工程中的發(fā)展方向進行了展望。關鍵詞：納米材料；土木工程；進展；混凝土引言納米材料是指粒徑在1100nm范圍之間的單晶體或多晶體材料，由于它的

2、尺寸已經(jīng) 接近電子的相干長度，導致納米材料具有小尺寸效應、量子效應（宏觀量子隧道效應）、表 面效應和界面效應，因此它具有常規(guī)材料所不具備的特有性能，其在化學、生物醫(yī)學、材料 學、能源、環(huán)保、巖土工程、地質(zhì)等多個領域有著極其廣泛的應用，被科學家們譽為“新世 紀最有前途的材料”。隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，土木工程建設的規(guī)模越來越大，環(huán)境越來越復雜，迫切 需要新型的高性能建筑材料來滿足日益增長的工程需求，納米材料以其特有的性質(zhì)引起了眾 多科研工作者與技術人員的關注，國內(nèi)外已有一些有益的探索。為了掌握近年來納米材料在 土木工程領域應用的最新研究進展，本文對納米材料在水泥基材料、水泥土、混凝土等方面

3、的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)。目前，國內(nèi)外使用的納米材料主要有納米硅粉（Si）、納米二氧 化硅（SiO2）、納米碳酸鈣（CaCO3）等。1水泥基材料H. F. W. Tayor從20世紀90年代初對水泥水化產(chǎn)物進行研究，發(fā)現(xiàn)實際上水泥基材 料中約為70%的水化產(chǎn)物對強度發(fā)揮最關鍵作用的C-S-H凝膠，其本身即具有納米尺度。此外，還有納米尺寸的孤立孔、毛細孔和較大晶體水化產(chǎn)物，膠凝材料中90%以上的 凝膠孔為納米尺度，納米材料可以填充水泥漿體中的孔隙，對水泥基材料進行納米改性具有 良好的基礎。同時，納米材料粒徑達到納米級，其比表面積、表面能、表面原子數(shù)和粉體的 需水量都顯著增加，對水泥基復合材料的水化過

4、程、水化產(chǎn)物與結(jié)構、強度及耐久性等會有 一定的影響。唐明等（2003）評價了納米級SiOx與硅灰的顆粒形貌，將納米SiOx與硅灰復合 作為高活性的參合料，討論了納米級SiOx與硅灰對水泥基材料的復合改性效應。由于納米級 SiOx和硅灰具有較高的活性和表面效應，復合摻入納米級SiOx與硅灰，水化28天的產(chǎn)物中 Ca （OH）2相顯著減少；C- S H凝膠相顯著增加，交織成致密的網(wǎng)狀結(jié)構，結(jié)構缺陷顯 著降低，納米級SiOx與硅灰復合后有利于水泥基材料的力學性能的改善。王立久等（ 2003） 研究了納米SiO2對漿體流動性、水泥凝結(jié)時間、抗壓與抗折強度的影響分析了其對水泥性能 影響的機理。結(jié)果表明，

5、納米SiO2具有良好的水泥適應性，能較好改善硅酸鹽水泥的性能。 Hui Li等( 2004)對摻加納米SiO2和納米Fe2 O3的水泥砂漿力學性能進行研究，發(fā)現(xiàn)摻加 納米顆粒的砂漿抗壓強度和抗彎強度均有提高。從立慶( 2004)探討了納米級SiO2和硅灰活 性的水泥基材料的改性的研究，提出復合改性后的水泥硬化漿體其抗壓強度、抗?jié)B性能和孔 隙率都得到明顯改善。Byung-Wan Jo等( 2007)提出納米SiO2顯著改善砂漿的微觀結(jié)構和 促進火山灰反應，就提高砂漿強度而言，納米SiO2要比硅灰更適合作為外摻劑。王秀紅等 (2007)在纖維增強水泥中摻入微硅粉，明顯提高了纖維增強水泥的抗凍融能力

6、，改善了纖 維增強水泥的抗反復濕熱能力。孫中華等( 2009)表征了納米SiO2和ZrO2對硅酸鹽水泥砂漿 改性后的試樣，發(fā)現(xiàn)在固定水灰比為0. 5時，復摻2%納米SiO2和0. 25%ZrO2共同發(fā)揮納米 誘導水化作用，生成更多的CSH凝膠并向著針柱狀形貌生長，細化TCa(OH)2使其鑲嵌 在C S H凝膠和鈣釩石中，使得CSH凝膠與鈣磯石緊密交織，減少水泥石中總孔 隙率，水泥石的結(jié)構更加細化密實，使抗壓強度明顯高于同齡期標準試樣8馬先偉(2010) 分析了超細CaCO3和納米SiO2對水泥飾面砂漿的標準稠度、凝結(jié)時間、強度、化學結(jié)合水、 孔隙體積和干縮性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，納米SiO2可以

7、提高其抗壓強度和結(jié)合水量，降低了 孔隙體積，但是使凝結(jié)過快，增加了標準用水量和干縮；當再引入超細CaCO3，明顯改善了 干縮和凝結(jié)性能，并使強度和密實度進一步提高。杜惠榮(2011)將納米氮化硅粉體摻入到 水泥中，探討其對水泥綜合物理力學性能及耐腐蝕性的影響，并采用掃描電鏡(SEM)對其 改性機理進行了初步研究。研究表明，納米氮化硅粉體能顯著提高水泥凈漿和膠砂的抗壓強 度、抗折強度及耐腐蝕性能。董健苗等(2011)采用高速研磨攪拌、高速研磨攪拌+超聲波 分散等方法對納米SiO2進行分散，納米SiO2摻量為水泥質(zhì)量的0. 5%、1%，試驗結(jié)果表明， 采用上述分散方法試塊抗壓、抗折強度均明顯提高。

8、常利武等(2011)以水泥砂漿為基體和 多壁碳納米管為增強組分，采用不同的分散劑和分散方法制備碳納米管水泥砂漿.通過對碳 納米管水泥砂漿標準試件的3點彎曲試驗，研究了分散劑類型及其摻量、水灰比、碳納米管 摻加量對碳納米管水泥砂漿梁彎曲性能的影響。結(jié)果顯示：分散劑與碳納米管的質(zhì)量比存在 一個臨界值，當分散劑摻加量大于或小于此值時，所得碳納米管水泥砂漿梁的撓曲強度均有 不同程度的減?。惶技{米管摻加量存在一個最優(yōu)值，當摻量大于或小于此值時，其增強效果 減弱；隨著水灰比的增加，碳納米管水泥砂漿梁的撓曲強度反而有所提高，其相應砂漿的流 動性要比相同水灰比素水泥砂漿的流動性要差。2水泥土水泥土作為一種經(jīng)濟

9、的工程材料，被廣泛應用在交通、建筑、海洋、礦物等領域為了 提高水泥土的工程性能，國內(nèi)外已有學者和技術人員將納米材料作為新材料用于水泥土改 性。王立峰等(2002)將納米硅基氧化物作為水泥土的外加劑，進行了三軸試驗，探討了納 來水泥土抗壓強度的影響因素及其變化規(guī)律，提出納米硅基氧化物可以顯著提高復合納米材 料水泥土的抗壓強度。朱向榮等(2003)選取納米硅作為水泥土的外摻劑，認為納米硅對水 泥土強度及變形模量的增強作用明顯，影響納米硅水泥土強度大小的因素依次為：水泥摻 量、納米硅摻量和土的含水量。曾慶軍等(2007)分析了納米硅粉水泥土的抗腐蝕性能，提 出硫酸鹽腐蝕環(huán)境能加速納米硅粉和水泥水化產(chǎn)

10、物的二次水化反應，大幅提高水泥土的強 度，適量納米硅粉能顯著提高水泥土的抗腐蝕性能。王立峰等( 2005, 2010)建立了多種納 米硅水泥土的本構模型，并應用有限元相關軟件對其合理性進行了驗證，同時以某機場水泥 土攪拌樁地基處理方法作為工程背景，應用不同納米硅摻量的水泥土作為地基處理的新材 料，與傳統(tǒng)水泥土進行了比較，計算結(jié)果表明，納米硅作為水泥土外加劑用于地基處理可有 效地減少地基沉降，提高地基承載力。3混凝土隨著21世紀混凝土工程的大型化、工程環(huán)境的超復雜化以及應用領域的不斷擴大，人 們對混凝土材料提出了更高的要求，具有高強、高耐久性、高流動性和體積穩(wěn)定性的高性能 混凝土和高功能混凝土是

11、今后混凝土材料科學發(fā)展的重點和方向。巴恒靜等( 2003)將納米 纖維材料及活性球形摻合料復合應用于高性能混凝土，發(fā)現(xiàn)納米纖維材料改善了體系顆粒 級配及二級界面顯微結(jié)構，增加了密實度；天然納米纖維材料可以提高其抗彎強度達50%， 抗壓強度21%，能夠提高混凝土抗凍性、抗?jié)B性。杜應吉等( 2005)利用納米微粉的高化學 活性和微粒性，通過混凝土耐久性試驗研究，研制出新型混凝土改性劑，當納米微粉的摻量 為13g /kg時，混凝土的抗?jié)B等級提高30%，抗凍等級提高50%。仲曉林等( 2006)研究 了納米粘土材料對混凝土的水化作用機理，在一定摻量時，在水化混凝土中摻納米粘土材料 可提高水化混凝土的流

12、動度、抗壓強度和抗?jié)B、抗凍融性。楊瑞海等( 2007)研究了加入不 同比例復合納米材料(SiO2、CaCO3、硅灰)和摻30%40%四摻復合摻合料的膠砂和C40 級混凝土的性能，相對于基準C40級混凝土，摻入復合摻合料和復合納米材料配制的C40級 混凝土的流動性和抗硫酸鹽、氯離子侵蝕的能力均有所增強，其抗壓強度提高約20%;復合 納米材料摻入減水劑用于混凝土的效果優(yōu)于摻入復合摻合料用于混凝土，復合納米材料摻入 減水劑中解決了納米材料易于團聚的問題，摻入量為減水劑質(zhì)量的0. 5%1. 0%。參考文獻劉憶，劉衛(wèi)華，訾樹燕，等.納米材料的特殊性能及其應用.沈陽工業(yè)大學學報， 2000， 22( 1)

13、 : 21 24.張靈.礦物摻合料與納米材料復摻在水泥基材料中的應用.上海建材，2011( 1) 徐光潔.摻納米材料混凝土耐久性研究綜述.四川建材，2011，37( 5) : 272 274 12從立慶.納米SiO2合成及其與硅灰對水泥基材料性能影響的研究.廣西：廣西大學，2004.17王秀紅，崔琪.微硅粉對纖維增強水泥耐久性影響的試驗研究.混凝土與水泥制品， 2007( 3) : 47 49.馬先偉.超細CaCO3和納米SiO2對水泥飾面砂漿性能的影響.混凝土，2010(4): 113 115. 錢匡亮.納米CaCO3對水泥基材料的作用機理及應用研究.浙江：浙江大學，2011.杜惠榮.摻納米

14、Si3N4粉體的水泥性能研究.石家莊鐵道大學學報，2011，24(4): 105 107.仲曉林，孫躍生，仲朝明.納米粘土材料對水泥混凝土作用機理的研究.混凝土， 2006( 4) : 5 6. 李固華.納米材料對混凝土耐久性的影響.四川：西南交通大學，2006.楊瑞海，陸文雄，余淑華，等.復合納米材料對混凝土及水泥砂漿的性能影響.重 慶建筑大學學報，2007，29( 5) : 144 148. Z. P. Guo， E. Milin， J. Z. Wang， et al. Silicon /Disordered Carbon Nanocomposites for Lithium-Ion Battery Anodes . Journal of the Electrochemicalociety， 152( 11) ， 2005， A2211 A2216.