納米技術在現(xiàn)代混凝土中的應用
2005-08-12 00:00
一、納米技術在高性能、高耐久性混凝土中的應用
高性能混凝土是要求混凝土具有很高的強度、很好的施工性能、很好的體積穩(wěn)定性能和耐久性能。高性能混凝土的生產主要是利用混凝土外加劑對普通混凝土進行改性。利用納米技術和納米材料開發(fā)新型的混凝土外加劑，增加混凝土外加劑的品種，提高混凝土外加劑的性能和對混凝土改性的效果，并減少副作用。還可以利用納米技術，開發(fā)硅酸鹽系膠凝材料的超細粉碎技術和顆粒球形化技術以及可實用化的先進技術，可大幅度提高水泥熟料的水化率，在保證混凝土強度的前提下，若能降低水泥用量20%～25%，則會產生巨大的經(jīng)濟效益，并可降低資源負荷和環(huán)境負荷。
利用納米礦粉不但可以填充水泥的空隙，提高混凝土的流動度，更重要的是可改善混凝土中水泥石與骨料的界面結構，使混凝土強度、抗?jié)B性與耐久性均得以提高。納米礦粉主要包括納米SiO2、納米CaCO3 和納米硅粉等。據(jù)有關文獻報道，當納米礦粉的摻量為水泥用量的1%～3%，并在高速混拌機中與其他混合料干混（或是制成溶膠由拌合水帶入）后，制備成納米復合水泥混凝土結構材料，其7 天和28 天齡期的水泥硬化漿體的強度比未摻納米礦粉的水泥硬化漿體的強度提高約50%，且其韌性、耐久性等性能也得到改善。這主要是納米粒子的表面效應和小尺寸效應在起作用，因為當粒子的尺寸減小到納米級時，不僅引起表面原子數(shù)的迅速增加，而且納米粒子的表面積和表面能都會迅速增加，因而其化學活性和催化活性等與普通粒子相比都發(fā)生了很大的變化，導致納米礦粉與水化產物大量鍵合，并以納米礦粉為晶核，在其顆粒表面形成水化硅酸鈣凝膠相，把松散的水化硅酸鈣凝膠變成納米礦粉為核心的網(wǎng)狀結構，降低了水泥石的徐變度，從而提高了水泥硬化漿體的強度和其他性能。
高脆低韌是混凝土材料的固有問題,其抗拉應變只有0.02% 以下，抗壓應變只有0.2% 左右。利用納米材料的特性提高混凝土彈性和韌性，在建筑應用中可提高建筑物防震能力及其他相關性能。其辦法之一為微觀復合化。所謂微觀復合,是引入具有一定柔韌性的物質，如氯丁橡膠等高分子物質或納米級材料。引入柔性材料，可有效的改善混凝土的韌性，但往往帶來強度和剛度的損失。但對高強混凝土來說是不利的，因此必須尋找一種和水泥混凝土有良好親和性的柔性高強材料。這隨著高強高分子材料研究的深入，是有望實現(xiàn)的。而納米材料的研究如果能把水泥制成納米顆粒，并在水化后，形成納米微水化產物，也有可能改善其韌性，這方面的納米技術在現(xiàn)代混凝土中的應用混凝土材料是當今世界用途最廣、用量最大的建筑材料之一。隨著21世紀混凝土工程的大型化、巨型化、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，混凝土材料的高性能化(High Performance Concrete) 和高功能化(High Function Concrete)是21世紀混凝土材料科學和工程技術發(fā)展的重點和方向。隨著現(xiàn)代材料科學的不斷進步，以及納米技術在各領域的滲透，使得混凝土高強、高性能、多功能和智能化方向發(fā)展成為可能。超高耐久性混凝土材料、智能混凝土材料、吸收電波的混凝土幕墻、確保植物生長的混凝土材料、防菌混凝土材料以及凈化汽車尾氣的混凝土材料，這些混凝土材料的出現(xiàn)一改傳統(tǒng)混凝土的局限，極大地擴展了混凝土的應用領域，給混凝土行業(yè)帶來了嶄新的生命力。
此外，為了提高混凝土的壽命，防止腐蝕老化，可在多孔的混凝土中使用浸漬涂覆等技術進行表面處理。在混凝土內進行Ca、Mg、Al 離子的反應使混凝土內部和表面形成玻璃態(tài)，最后形成的涂覆材料是以硅酸鹽為主要成分的納米膠態(tài)材料,可使混凝土強度提高2～10 倍，使用壽命提高3 倍以上， 并提高表面硬度和防水性，可用于建筑、鐵路、道路路面、港灣、河川、水壩，也可用于屋頂防水。
日本針對惡劣環(huán)境下混凝土的鋼筋銹蝕問題，研制了超高耐性的混凝土。摻加專用的耐久性改善劑可以顯著隔斷酸性氣體及分的浸透和擴散，干縮、碳化、耐凍融循環(huán)和氯離子滲透力大大改善，可以制作出使用壽命為500 年乃至1000 年以上的混凝土。
二、納米技術改善混凝土功能單一的問題
到目前為止，所使用的混凝土絕大部分是只具有單一功能的混凝土，例如滿足力學要求，滿足保溫隔熱要求等。隨著建筑的智能化和多功能化，必然要求混凝土是具有多種功能復合的結構材料，即不僅滿足力學要求且兼具其他特殊功能。目前功能型混凝土研究已經(jīng)嶄露頭角，展示出極大的生命力。
1 、環(huán)境友好混凝土
利用納米材料量子尺寸效應和光催化效應等性質，使混凝土具備吸收電磁波功能，環(huán)境凈化功能，分解有毒物質，分解某些微生物，凈化空氣，凈化地表水等，可在空間和地面同時起到保護環(huán)境的良好作用。
⑴吸收電磁波的混凝土
隨著科學技術的發(fā)展，越來越多的電磁輻射設施進入了人類生活和生產的各個領域，據(jù)報道，其人為的環(huán)境電磁能量密度每年增長可達7%～14%， 客觀上已形成電磁輻射污染，并被國際上公認為第五害。利用納米金屬粉末的特殊性能，把它摻入到水泥混凝土中，可以制成具有功能性的電磁屏蔽混凝土。方法是把納米金屬粉末與混凝土混合料干混均勻后，帶入到混凝土中，參與水泥的水化過程。用此法制備的混凝土既有可能降低混凝土結構的重量，提高混凝土的承載能力和耐沖擊性，又有很好的電磁屏蔽功能，甚至可以用來制作隱身混凝土， 用于軍事建筑。
日本專利JP77027355B“混凝土或砂漿中摻加吸波劑”報導，在混凝土或砂漿中摻加鐵氧體納米材料，使其具有吸波性。由于其鐵氧體是直接簡單地摻入砂漿或混凝土中，鐵氧體不能有效發(fā)揮吸波效果， 故吸波效果比較差，達不到治理電磁輻射污染作用。
有文獻報導將纖維混凝土板或輕質混凝土應用于外墻板中作為建筑用吸波材料，但所能吸收的電磁波頻率比較窄，吸波效率比較低，尚不能有效治理電磁輻射污染，該研究尚在起步階段。
近年來，為防止電視影像障礙，提高畫面質量，采用了金屬纖維、碳纖維、有孔玻璃珠和鐵粒子混合的吸收電波混凝土。日本大成建設技術研究所工業(yè)化開發(fā)了穩(wěn)定吸收電波的燒結鐵酸鹽的混凝土幕墻。其主要材料為普通硅酸鹽水泥、燒結Mn- Zn系鐵酸鹽集料、3mm長瀝青基卷發(fā)狀碳纖維以及多碳酸鹽系減水劑和稀酸系樹脂乳液和增粘劑。電波吸收性能為90～450MHz 范圍內。該項技術在日本東京的高層建筑中試應用，取得了良好的效果。
⑵凈水生態(tài)環(huán)境材料
將高活性的納米凈水組分與多孔混凝土復合， 利用其多孔性和粗糙特性，使其具有滲流凈化水質功能和適應生物生息場所及自然景觀效果。凈水生態(tài)混凝土用于河水、池塘水、地下污水源凈化，保護居住生態(tài)環(huán)境方面有積極的意義。在海水凈化的過程中，多孔混凝土對全有機態(tài)碳(TOC)的除去率可提高到70%。小野田公司將加氣混凝土類的多孔質材料作為畜產排泄污水凈化和有機肥料化的輔助材料，尤其是持續(xù)吸附除去污水中的磷效果非常好。此外，加氣混凝土顆粒作為藥液的載體十分有效。宮崎將它用于處理赤潮等異常繁殖的浮游生物的驅除。2～5mm 的加氣混凝土顆粒吸收雙氧水之后，投放到發(fā)生浮游生物的海水中，效果非常顯著。
⑶凈化空氣混凝土
空氣污染對人類的健康有直接的危害，為了凈化各種有害氣體人們研究了各種凈化空氣材料。按其特性可分類為：物理吸附型、化學吸附型、離子交換型、光催化型和稀土激活型材料，其共同的技術特點都是應用了納米技術和納米效應提升和強化其空氣凈化功效。銳鈦型納米TiO2 是一種優(yōu)良的光催化劑，它具有凈化空氣、殺菌、除臭、表面自潔等特殊功能。在砂漿或混凝土中添加納米級等組分，制成光催化混凝土，能將空氣中的二氧化硫、氮氧化物等對人體有害的污染氣體進行分解去除， 起到凈化空氣的作用。日本1998 年就將其應用于道路工程。日本玉田教授用粉煤灰合成小顆粒狀人工沸石集料制作多孔的吸音混凝土，并用水泥與沸石混合加入納米TiO2 粉末制作面層材料。在吸收有害氣體的同時，多孔混凝土可以吸音，其范圍在400～2000Hz，從而起到減少噪音污染的作用。
⑷抗菌混凝土
抗菌環(huán)境材料在日本頗為盛行，它是由納米級抗菌防霉組分與環(huán)境材料復合制成的。最初是為醫(yī)院防止病毒感染而研制的，以地板材、墻材、地氈、壁紙等產品為主。近年來出現(xiàn)了抗菌防霉混凝土，它是在傳統(tǒng)混凝土中摻入納米級抗菌防霉組分，使混凝土具有抑制霉菌生長和滅菌效果，該混凝土已被應用于畜牧場建筑物。
⑸自動調濕混凝土
納米級天然沸石與建筑砂漿復合可以制成自動調濕建筑砂漿。環(huán)境調濕性建筑砂漿的特點是：優(yōu)先吸附水分，水蒸氣壓低的地方，其吸濕容量大；吸放濕與溫度相關，溫度上升時放濕，溫度下降時吸濕。這類材料比較適合對濕度控制要求比較高的美術館之類的建筑環(huán)境。如：世界首例使用環(huán)境調濕建材的工程是1991 年日本月黑雅敘園美術館內壁，此后還用于
成天山書法美術館、東京攝影美術館等。
⑹生態(tài)混凝土
根據(jù)人們的要求，經(jīng)特殊處理的混凝土表面還可以滋生綠色植物，凈化空氣美化環(huán)境，用于地面，可保水蓄水，用于墻面和屋頂，可隔熱降溫。
2 、智能混凝土
智能材料是21 世紀極有發(fā)展前途的材料。利用納米技術和納米材料研制智能混凝土，使其能夠實現(xiàn)“ 自我診斷”、“ 自我調節(jié)”、“ 自我修復”的研究正在逐步深入。這對提高結構性能，延長結構的壽命、提高安全性和耐久性都有重要意義。
所謂智能預警混凝土就是利用納米技術，使混凝土在產生破壞前具有報警功能，避免事故的發(fā)生。1992 年日本清水建設的杉田先生就研究了用高強度碳纖維高彈性碳纖維等三種不同碳纖維制作的具有“自我診斷”功能的智能混凝土。該混凝土根據(jù)碳纖維的導電性，測試電阻的變化，建立電阻與載體之間的模型，可預測混凝土結構的破壞，這一研究對重要混凝土結構確保安全十分重要。
目前大多數(shù)混凝土工程損壞后不易修復，通過納米技術的機制，調動混凝土自身的原子微區(qū)反應， 可以實現(xiàn)自我修復，延長工程壽命，提高建筑物的安全性。國內的研究表明，摻有活性摻和料和納米復合有機纖維的混凝土破壞后其抗拉強度存在自愈合現(xiàn)象；國外研究混凝土裂縫自愈合的方法是在水泥基材料中摻入特殊的修復材料，使混凝土結構在使用過程中發(fā)生損傷時，修復材料(粘結劑)進行恢復甚至提高混凝土材料的性能。美國伊利諾伊斯大學的Carolyn Dry采用在空心玻璃纖維中注入縮醛高分子溶液作為粘結劑，埋入混凝土中，制成具有自修復智能混凝土。當混凝土結構在使用過程中發(fā)生損傷時，空心玻璃纖維中的粘結劑流出愈合損傷，恢復甚至提高混凝土材料的性能。日本學者H. Hiarshi 采用在水泥基材內復合內含粘結劑的微膠囊(稱為液芯膠囊)制成具有自修復智能混凝土。一旦混凝土材料出現(xiàn)損傷裂紋時，該裂紋附近的部分由于拉力作用而使部分膠囊破裂，凝結液流出，使損傷處重新粘合，達到自愈合的效果。
伴隨著人類進入2 1 世紀，高性能、高功能化混凝土作為建筑材料領域的高新技術，為傳統(tǒng)建材的未來發(fā)展注入了新的內容和活力，并提供了全新的機遇。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，將混凝土設計成滿足不同環(huán)境和功能要求的建筑材料將越來越受到人們的青睞，傳統(tǒng)的混凝土材料發(fā)展正步入科技創(chuàng)新軌道，其中，納米技術勢必將扮演越來越重要的角色。
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