混凝土中納米粒子的運用,建筑材料論文

混凝土中納米粒子的運用,建筑材料論文摘要：在混凝土中摻入納米材料可提高混凝土的強度和耐久性。文中對納米材料在混凝土中的應用做了簡單分析。本文關鍵詞語：混凝土;納米材料;混凝土性能;Abstract：Addingnanomaterialsintoconcretecanimprovethestrengthanddurabilityofconcrete.Inthispaper,theapplicationofnanomaterialsinconcreteisanalyzed.Keyword：Concrete;Nanomaterials;Concreteperformance;0、前言混凝土是將膠凝材料和骨料膠結成復合固體，材料豐富，耐用，配合比可根據(jù)實際情況配制，形狀可定制，熱膨脹系數(shù)和鋼筋類似，能夠整體澆筑。在設計混凝土施工時，通常需要考慮其和易性，使其便于施工。在混凝土的規(guī)定齡期內(nèi)要知足強度要求。其耐久性能，包括抗凍性能、抗?jié)B性能、耐磨性能和抗介質侵蝕性能都需要知足要求。納米材料是新興材料，廣泛應用于各個領域。在混凝土中摻入納米材料可有效改善混凝土的各項性能。1、概述納米材料有著常規(guī)材料不具備的特殊性能，如高強度高韌性、高比熱和熱膨脹系數(shù)、異常的導電率和擴散率、高磁化率和電磁波的強吸收率。這些特殊性能就使得納米材料能夠應用于很多領域，在多方面發(fā)揮特殊的性能，擁有非常廣闊的研究前景。由于納米材料的小尺寸而產(chǎn)生了四大效應：尺寸效應、外表效應、宏觀量子隧道效應和界面效應[1]。2、混凝土的性能2.1、力學性能用混凝土抗壓強度作為其力學性能的總指標，混凝土的強度等級是以標準立方體試件〔150mm150mm150mm〕在標準條件下〔20℃3℃，濕度90%以上〕養(yǎng)護28d的抗壓強度指標[2]。影響混凝土強度的因素：〔1〕水泥強度大及水灰比小時，游離水少、構造密實、孔隙率小，混凝土的強度會高；〔2〕骨料的質量需要一些外表粗糙富有棱角的碎石；〔3〕養(yǎng)護條件要有適宜的溫度和濕度；〔4〕適宜的齡期。2.2、耐久性能混凝土的耐久性能主要有抗凍融，抗浸透，耐侵蝕和抗風化等。混凝土的和易性良好，水灰比小，澆搗密實，孔隙率低，裂縫少則外界物質侵入就會較困難，耐久性能會提高?；炷恋目箖鲂阅馨?8d齡期混凝土試件所能承受的凍融循環(huán)次數(shù)確定，F(xiàn)50,F100表示混凝土可承受反復凍融次數(shù)為50次和10次?；炷恋目?jié)B性按28d齡期試件不透水所承受的最大水壓來確定，抗?jié)B等級劃分為P4,P6,P8,P10,P12，大于P12等六個等級，相應表示能抵抗0.4、0.6、0.8、1.0及1.2MPa的靜水壓力而不滲水?；炷恋哪突瘜W侵蝕性能和抗碳化性能也很重要?；炷恋母煽s是指毛細孔和膠凝體中水分蒸發(fā)和散失而引起的體積縮小，耐磨性是指其抗機械磨損的能力，與混凝土的強度有關。3、納米粒子在混凝土中的應用3.1、納米SiO2在混凝土中的應用黃征宇等[3]的研究發(fā)現(xiàn)，納米SiO2(NS〕是一種非晶態(tài)物質，可與礦物粉末構成網(wǎng)絡交織狀骨架構造，其骨架構造中由致密產(chǎn)物所填實的二級界面顯微構造能夠促進水泥的水化，提高水泥砂漿的早期強度。NS的參加使得水泥漿體的致密性和均勻性都相應提高，使混凝土的和易性和流動性均變差，其抗折強度最高可到達32.5MPa，提高了40.7%。從流動性和強度指標考慮，其最佳摻量在0.5%～1%之間；NS是當前大規(guī)模生產(chǎn)的一種納米粉體材料，其外表有大量不飽和Si-O殘鍵和不同狀態(tài)下的羧基使得SiO2具有高反響活性[4]。在溫度較低的區(qū)域，對混凝土的抗凍性要求會較高，而混凝土的抗凍性是影響混凝土耐久性能的一個重要因素，王寶民[5]的研究發(fā)現(xiàn)，混凝土中摻NS僅有少部分表層漿體脫落，在與不摻NS的比照試驗中相比擬，其質量損失相對小。而凍融循環(huán)次數(shù)也相應提高，試驗結果證明了NS的摻入對混凝土的抗凍性能有相應提升。另外，混凝土的抗?jié)B性能和耐磨性能隨著NS的摻加而提高，黃功學等[6]人的研究發(fā)現(xiàn)，比照不摻NS的混凝土相比，摻NS的滲水高度下降率最高達61.8%，抗沖磨能力最高提升了30.3%。摻NS對提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力也有很大提升，有效延緩了混凝土被硫酸鹽侵蝕的速率[7]。3.2、納米CaCO3在混凝土中的應用納米CaCO3的粒度很小，外表能高，性能優(yōu)于普通碳酸鈣。但由于其粒子外表羧基互相作用構成氫鍵而聚集，容易成團，故需要降低納米碳酸鈣的外表能來發(fā)揮它最大的效能。納米CaCO3(NC〕的摻入使得混凝土不同齡期的強度逐步加強，且氯離子的浸透率下降[8]。NC的參加提高了混凝土的早期強度，但對后期強度作用不明顯，但是若是摻入NC,NS，和硅粉的混合物，那么混凝土的后期強度也會大幅度提升[9]。但是NC的摻量也是影響混凝土強度的重要因素，混凝土的抗壓抗折強度會隨著摻量的增加而減小，其摻量在1.5%左右時，混凝土的抗壓抗折性能最好[10]。摻入NC也會提高混凝土在凍融后的強度，這是由于NC的參加使得混凝土內(nèi)部空隙被填充，提高了混凝土的流動性，改善混凝土中水泥石與骨料的界面構造，使混凝土的強度提高，抗?jié)B性能，耐久性能提高[11]。而NC的晶核作用，在水化產(chǎn)物附近產(chǎn)生毛細孔，量也發(fā)生顯著變化，增大后提供了現(xiàn)成晶核使得水化硅酸鈣〔CSH〕在其外表生長，改變水泥水化反響的速度；同時CSH凝膠的宏大外表能，很容易吸附其他離子，水泥顆粒外表就不會有厚厚的保衛(wèi)層，而阻礙水化的進程，水泥水化程度增加了，混凝土的性能相應提升[12]。3.3、納米Al2O3在混凝土中的應用納米Al2O3氧化鋁在混凝土中構成硅酸鋁鈣凝膠〔C-A-S〕。納米氧化鋁與鋁酸鈣水合反響生成的Ca(OH)2反響，此反響速率和反響的外表積成正比。因而，添加納米氧化鋁能夠改善混凝土性能，在平均粒徑為15mm情況下，納米氧化鋁可替代水泥，最大粒徑不易超過2%。納米氧化鋁能夠提高混凝土彈性模量，在摻量5%時達彈性模量可高達143%。納米氧化鋁摻入后混凝土的吸水率和氯離子浸透性下降，耐久性能提高。研究表示清楚，摻氧化鋁使混凝土28d的抗壓強度提高了4.03%，當氧化鋁含量從1%上升到3%時，強度從4.03%提高到8%，這與氧化鋁的高活性有關，它加速了水泥的水化，同時氧化鋁作為填料改善了混凝土的微觀構造進而減少了水泥漿體中較大空隙體積[13]?；炷恋男阅芤簿拖鄳靡蕴嵘饺?.2%納米氧化鋁后，在準靜態(tài)荷載之下，強度和變形性能都顯著提高，抗壓強度提高了44.5%。動荷載作用時，納米氧化鋁混凝土的應變敏感度增加，隨著應變的增加，峰值應力隨之提升，極限應變的范圍擴大，變形能力提高。同時電鏡掃描的結果顯示，參加納米氧化鋁后，水泥密實度提高，混凝土界面過度區(qū)得以改善，強度和韌性提升[14]。3.4、其他納米材料在混凝土中的應用納米金屬氧化物如CoO、TiO2、ZnO等，能夠制成傳感器，如溫度傳感，紅外傳感和氧敏傳感器等。一般的制備方式是將納米金屬氧化物摻入混凝中，使其具有強導電性能和傳感作用結合，或是在混凝中插入納米金屬氧化物制成的傳感器，使混凝土具有傳感作用，適用于土工構造的長期監(jiān)測，監(jiān)控混凝土的開裂以及毀壞情況及損傷評價和公路上車速及車重量的監(jiān)測等[15]。聚合物和無機納米復合材料在可以在混凝土中廣泛應用，此類材料的界面面積較大，會降低界面應力集中，消除了無機物與聚合物基體之間的熱膨脹系數(shù)不匹配的問題，可充分發(fā)揮無機物分子的力學性能，如高耐熱和聚合物可加工性，高強度，高韌性，熱穩(wěn)定性和良好的導電性能[16]。4、結論隨著當代材料科學迅速發(fā)展，高強度、高性能、多功能和智能化已成為行業(yè)的基本要求。在混凝土領域，同樣需要突破，不僅僅僅是在工民建之中，在軍事方面也有牽涉。納米材料的摻入大大提升了混凝土的性能，但納米材料制備工序復雜，成本較高。納米材料的摻入時難以到達均勻分散，能否會影響性能的提升，是需要進一步研究的問題。以下為參考文獻[1]許耀群，李曙光，王娟，等.納米材料對混凝土耐久性和功能性影響研究[J].水利水電技術，2021,48(09):208-215.[2]盧經(jīng)揚.建筑材料[M].北京：清華大學出版社，2020.[3]黃征宇，曹芳良.納米材料對超高性能混凝土性能的影響[J]材料導報B：研究篇2020,26(9):136-141.[4]張密林，丁立國，景曉燕.納米二氧化硅的制備、改性與應用[J]化學工程師，2003,99(6):11-31.[5]王寶民.納米二氧化硅高性能混凝土及機理研究[D].大連：大連理工大學，2018.[6]黃功學，謝曉鵬.納米二氧化硅對活性粉末混凝土力學性能影響的試驗研究[J].人民黃河，2018,33(7):138-140.[7]張偉，馬芹永.納米二氧化硅改性補償收縮混凝土受硫酸鹽侵蝕后壓拉性能分析[J].混凝土與水泥制品，2020(13):13-16.[8]李晗，高丹盈，趙軍.纖維納米混凝土力學性能和氯離子浸透性能的研究[J].華北水利水電學院學報，2020,33(6):39-45.[9]李固華.納米材料對混凝土耐久性能的影響[J].成都：西南交通大學，2006.[10]李森.納米CaCO3對混凝土性能的影響[J].建筑工程技術與設計，2021,(22).[11]徐小倩，李洋，張景林，等.納米材料改性混凝土的作用機理及研究進展[J].建設科技，2021(369):49-54.[12]仲曉林，孫躍生，仲朝明，等.納米黏土材料對水泥混凝土作用機理的研究[J].混凝土，2006(4):5-6.[13]KiachehrBehfarnia,NiloofarSalemi.Theeffectsofnano-silicaandnano-aluminaonfrostresistanceofnormalconcrete[J].ConstructionandBui