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谈谈几种纳米材料在混凝土中的应用

浏览 45 次 来源:混凝土网 发布日期:2019-10-17 14:18:52

纳米技术作为前沿技术在混凝土中的应用正在蓬勃兴起,已成为混凝土技术研究领域的一个热点。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。

纳米材料可有效改善混凝土的性能


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。

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。

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。

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

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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。


1、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。


2、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。


3、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。


4、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。


5、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。


6、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。

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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。

      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。