水泥領(lǐng)域中納米技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀
2010-06-10 00:00
納米科學(xué)技術(shù)自上世紀(jì)80年代以后得到了飛快發(fā)展，人類可以通過控制Mesoscopic結(jié)構(gòu)，在介觀體系內(nèi)創(chuàng)造新的功能材料，從而使材料科學(xué)進(jìn)入了一個新時代。納米技術(shù)主要有兩點應(yīng)用研究內(nèi)容，其一是以納米尺度觀點研究材料領(lǐng)域中的“微觀結(jié)構(gòu)”，控制和設(shè)計分子與原子等納米級組織，創(chuàng)造新物質(zhì)；其二是利用納米功能材料微粉作為混合劑、催化劑等與其他傳統(tǒng)材料混合或復(fù)合，成為具有新性能的結(jié)構(gòu)材料或改善了傳統(tǒng)材料特性。
一納米是一米的十億分之一，即1nm＝10-9m，納米顆粒屬于學(xué)術(shù)定義上的“超細(xì)顆?！保杉{米級顆粒組成的材料便是納米材料。納米技術(shù)和超細(xì)顆粒材料的發(fā)展，正日益受到世界各國科技工作者的關(guān)注，使人類科技發(fā)展進(jìn)入了充滿希望的新天地。
超細(xì)顆粒材料的制備，在技術(shù)上有一定的難度，并在產(chǎn)品規(guī)模和成本上都影響著工業(yè)部門的采用。此外納米顆粒一旦產(chǎn)生就很容易團(tuán)聚成二次顆粒，所以實際上很難得到真正的納米顆粒，也很難貯存和運(yùn)輸，又由于超細(xì)顆粒具有很大的表面積，在大氣中極易急劇氧化而生熱，所以在處理納米材料時還要考慮慢氧化措施。盡管有這么多難題，但人類從來就沒
有懼怕過，技術(shù)總是在向前發(fā)展著。
水泥顆粒范圍約在10-1～100μm之間，屬于亞微米級以上顆粒范疇，即便是“超細(xì)水泥”，指的也是廣義上的“超細(xì)”，即30μm以下顆粒占有較大比例的水泥。納米技術(shù)和納米材料能否應(yīng)用于水泥領(lǐng)域？能否提高水泥質(zhì)量和起到“節(jié)能減排”的作用？這些正是人們考慮和研究的問題。本文梗概介紹一下國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。
1 利用納米技術(shù)提高水泥機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)效率
水泥工廠使用了破碎、篩分、輸送（給料）、貯存、粉磨、選粉（分級）、收塵等幾乎所有粉體物料處理的機(jī)械設(shè)備，此外還有大量的風(fēng)機(jī)、泵等機(jī)械。這些設(shè)備與機(jī)械的工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，如酷熱（嚴(yán)寒）、粉塵及腐蝕等，處理的物料有許多硬度大、不易破碎和粉磨的礦石物料，對機(jī)械磨損相當(dāng)嚴(yán)重。然而水泥生產(chǎn)是連續(xù)的過程，要求機(jī)械設(shè)備能長期連續(xù)安全運(yùn)轉(zhuǎn)，否則某個部分的事故造成停產(chǎn)，將給水泥企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，甚至工人的安全也要受到威脅。因此水泥廠的機(jī)械設(shè)備最基本的要求是耐磨損，可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，我國與國外有關(guān)研究人員采用納米技術(shù)來改進(jìn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)水平的研究，有如下內(nèi)容：
●對純鐵表面進(jìn)行納米化處理，實現(xiàn)常規(guī)氣體氮化技術(shù)，這就解決了以往金屬表面進(jìn)行氮化處理提高耐磨、耐蝕性時不易解決的難題，這種提高金屬表面耐磨性的方法，可以使水泥廠內(nèi)使用的風(fēng)機(jī)葉片、機(jī)械軸承、輸送管道、磨機(jī)內(nèi)襯板、研磨介質(zhì)等部件提高工作性能；
●防止設(shè)備磨損破壞，加強(qiáng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)部位的潤滑工作相當(dāng)重要，將納米銅粉或納米銅合金粉加入潤滑油中，可使?jié)櫥蕴岣?0倍以上，能有效減少機(jī)械部件磨損，提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，延長設(shè)備使用壽命；
●使用納米潤滑油添加劑，在摩擦磨損過程中產(chǎn)生的納米金屬粉和氧化物粉將會產(chǎn)生自修復(fù)作用，解決機(jī)械磨損的自適應(yīng)和自修復(fù)難題，納米潤滑油添加劑可用MoS2、PbS、WS2等納米材料。還有一種“硬修復(fù)層”的自修復(fù)作用，即納米顆粒在一定壓力、溫度、摩擦力作用下，在“摩擦對偶”新生面的化學(xué)活性、催化作用及負(fù)電子還原作用下，還原為微晶單質(zhì)，再加之摩擦產(chǎn)生的局部高溫，微晶單質(zhì)形成具有磨損補(bǔ)償作用的熔融合金膜，可以使用CuO、PbO、Ag2O、CuS、PbS、Ag2S等納米材料。
2 利用納米技術(shù)提高燃燒效率
現(xiàn)在國內(nèi)外水泥熟料熱耗最先進(jìn)指標(biāo)已達(dá)到2700～2800kJ/kg，距理論熱耗2200kJ/kg已很接近，因此水泥科技工作者又在努力開發(fā)低鈣水泥或生態(tài)水泥等。如此說來在燃燒過程中采用納米技術(shù)、提高燃燒效率、降低水泥熟料熱耗是水泥工業(yè)節(jié)能研究領(lǐng)域中重要的一個方面。
眾所周知，我們?nèi)魧⑺嘣辖?jīng)過超細(xì)粉磨等煅燒前處理，使其獲得最佳的機(jī)械力活性化效果，可以使之易于燒結(jié)，在高溫下煅燒時，燒結(jié)時間可能縮短或使燒成溫度從1480℃下降低。正在研究提高燃燒效率的納米技術(shù)，是將納米微粒燃燒催化劑添加到燃料中去，利用納米微粒高比表面積與高活性的催化作用，提高燃燒效率，并且還能減少CO2的排放量。
Fe2O3超細(xì)顆?？蓪O2分解成C和H2O，這對于減少溫室氣體排放量來說有著重要的意義。
3 水泥基材料的納米技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究
日本水泥研究人員發(fā)現(xiàn)水泥基材料中約有70％納米級的C－S－H凝膠，從材料科學(xué)與顆粒設(shè)計觀點出發(fā)，有可能用超細(xì)納米顆粒和納米技術(shù)改造傳統(tǒng)水泥產(chǎn)業(yè)，已在水泥水化、混凝土結(jié)構(gòu)、功能混凝土等方面取得了一些應(yīng)用基礎(chǔ)研究成果。在水泥混凝土系材料中，結(jié)構(gòu)組織分為三級，即100μm以上的組織尺度、10nm～100μm的顆粒尺度和10nm以下的原子尺度。支配水泥、混凝土性能的尺度范圍在10nm～100μm，水泥水化物中C－S－H（硅酸鈣水化物）存在著直徑約1nm的空隙，另外，鈣離子等硅酸鹽離子與近似于原子大?。?.1nm）的水分子反應(yīng)，能生成幾十納米的C－S－H水化物。在加水?dāng)嚢杌炷習(xí)r，除去砂、骨料外，水泥凈漿中含有固態(tài)水化物、未水化的水泥顆粒以及空隙等，水泥水化反應(yīng)的顆粒大小也近似原子大小，雖然水化過程的混凝土顆粒范圍在1nm～10000nm，但水化產(chǎn)物仍屬于納米級范疇。
●在水泥粉體的密充填方面，當(dāng)混凝土拌合時加入一種稱為硅土的混合材（Silila fame），這是一種納米級粉體，平均粒徑在100nm以下，為球狀超細(xì)粉，在加水拌合時，這種混合材與水泥顆粒形成間隙梯度，從而促進(jìn)了粉體密充填，當(dāng)硅土混合材在攪拌水中分散時還擴(kuò)大了水相體積，減少了需水量，使之成為低水灰比混凝土。另外，采用石灰石粉充填的水泥，也有利于水泥密充填，因為石灰石的易磨性比水泥熟料好，因此在混合粉磨水泥時，石灰石易形成超細(xì)粉，細(xì)度在2μm以下。摻加石灰石粉后，由于C－S－H凝膠的發(fā)展，CaCO3起著晶核的作用，硅酸鹽離子可以從C3S邊界移出，并在CaCO3顆粒上形成C－S－H凝膠相，因而提高了水泥硬化漿體的性能。
●在混凝土中水泥顆粒的分散方面，由于減水劑使水泥顆粒表面產(chǎn)生負(fù)電荷，因而使混凝土中帶有負(fù)電荷的水泥顆粒之間因同性相斥而分離，當(dāng)顆粒間距離大于1nm，表面電位在負(fù)20mV以上時，可以形成穩(wěn)定的分散，因此1nm左右的距離是決定顆粒分散與團(tuán)聚的關(guān)鍵，這是研究萘系混凝土減水劑要考慮的問題。
還有一種聚碳酸系減水劑，能顯著降低水灰比增加混凝土的強(qiáng)度。這種減水劑的結(jié)構(gòu)上有主鏈和側(cè)鏈，主鏈丙烯（長度20nm～100nm）上結(jié)合著側(cè)鏈聚乙烯乙二醇（長度5nm～20nm），成為櫛狀構(gòu)造。由于側(cè)鏈的立體屏蔽作用，阻止了水泥顆粒間的團(tuán)聚，因此改變聚碳酸減水劑的主鏈與側(cè)鏈的長度就可改變水泥顆粒的分散效果，增加混凝土的流動性。
●在控制水泥硬化體空隙方面，由于水泥硬化體的特性是由內(nèi)部空隙決定的，所以混凝土的強(qiáng)度與空隙構(gòu)造有著非常密切的關(guān)系。毛細(xì)管空隙量占混凝土硬化體中全部空隙量的2/3左右，膠凝空隙的直徑在2nm左右，相當(dāng)于C－S－H層間距離，凝膠空隙約占毛細(xì)管空隙量的20%。50nm以上的毛細(xì)管空隙量越多，則離子透過性、透氣透水性越好，但混凝土的強(qiáng)度就要降低，利用納米礦粉填充水泥硬化體的空隙，即可提高混凝土的流動性，還可改善水泥硬化基體與骨料的界面結(jié)構(gòu)，從而使混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性與耐久性提高。在摻硅粉的水泥硬化體中，由于硅粉可以堵塞硬化體中空隙，并與水泥水化時產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成C－S－H凝膠，可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。
4 對水泥基材料的納米化改性
現(xiàn)在我國、日本和美國利用納米技術(shù)和納米材料對混凝土進(jìn)行改性都有一些研究成果。
利用納米材料的特性提高混凝土的彈性和韌性，現(xiàn)在已取得很大進(jìn)展。例如在混凝土中加入具有柔性功能的且與水泥有良好親和性的納米材料，就可能改善混凝土的韌性。
另外在多孔混凝土中使用浸漬涂覆等方法，通過Ca、Mg、Al等離子反應(yīng)使混凝土內(nèi)部和表面形成玻璃態(tài)，形成以硅酸鹽為主要成分的納米膠態(tài)材料，則混凝土強(qiáng)度可提高2倍～10倍，成為高強(qiáng)度混凝土。利用納米技術(shù)對混凝土進(jìn)行改性，出現(xiàn)了幾種智能型混凝土，如“安全警告”、“自我診斷”、“自我調(diào)節(jié)”和“自我修復(fù)”混凝土等。利用納米材料的量子效應(yīng)和光催化效應(yīng)，可以使混凝土具有吸收電磁波、凈化環(huán)境空氣、分解有毒有害物質(zhì)、以及凈化污水等多種功能。如吸收電磁波的混凝土、空氣凈化混凝土、抗菌防霉混凝土、凈水功能混凝土等。
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