纳米材料提升水泥基复合材料分析

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1、纳米材料提升水泥基复合材料分析1绪论1.1课题研究背景及意义进入二十一世纪以来，我国人民生活水平不断提高、经济总量持续增长，国家基础设施建设如火如荼。三峡大现、南水北调、杭州湾跨海大桥等一系列工程标志着我国基础设施建设进入了高速发展阶段。水泥混凝土材料便于施工、原料易于选取、耐久性好、价格便宜，从而成为当代最主要的土木工程材料。我国每年有约20亿方混凝土用于建筑工程，建筑用水泥产量己经占世界总产量的70%,钢筋混凝土结构形式己经成为现代大型设施建设中最为常见的建筑结构。混凝土材料拥有一百多年的历史，在21世纪大规模、极限环境条件

2、下使用混凝土的机会越来越多，我们逐渐认识、改进着它所存在的问题。随着环境保护的高要求的提高，如果目前混凝土存在的一些问题不妥善、有效地解决，将难以承担其应有的使命，而且其用途也难以大幅度拓展。混凝土开裂是一个世界性的难题，混凝土裂缝使结构的强度下降、缩短使用寿命。混凝土结构幵裂在试验研宄和工程中是不可避免的，在现有的经济和技术水平下如何将混凝土的裂缝控制在有害程度允许的范围内是一项非常有挑战性的工作。为了改善混凝土的抗拉强度、耐久性、抗压强度、耐疲劳、耐冲击性，自上个世纪50年代纤维混凝土出现以来，通过向混凝土中加入各种纤维，如

3、钢纤维、PVA纤维、PP纤维和碳纤维等聚合物纤维使混凝土的朝性有了一定的提高。但是目前混凝土中所用的增初纤维强度相对较低，极限拉伸应变值一般为0.02%至0.03%。从上个世纪八十年代开始，国内外学者陆续开展了高性能纤维材料增强混凝土复合材料的研宄，现在超高軔性水泥基复合材料的极限拉伸应变可以稳定达到3%以上，但是水泥基材料的直接拉伸强度却只有4-6MPa。上世纪末纳米技术的兴起和多壁碳纳米管被发现以来，纳米材料优异的物理、力学、电磁、化学特性引起了研究者的广泛兴趣，国内外学者开始对其进行初步的研究。欧美及亚洲等国相继成立了纳米

4、材料研究中心；韩国三星和日本电器利用碳纳米管制成的平板场发射显示器；纳米涂料也正在成为多功能的工程涂料；用碳纳米管作为扫描探针也己经研制成功;纳米材料具有很好的生物相容性，在生物医学领域也有很好的应用前景。纳米材料可望在材料增强、电磁场、微电子、化学和医学等领域中普遍应用。美国自上世纪末就把纳米技术归为政府关键技术，2004年，美国能源部的《21世纪纳米研发法案》确立了未来20年科学发展战略计划，其中大力发展纳米科学，幵发新材料是未来纳米材料发展的重点。日本在1981年实施的先进技术探索研究就有许多纳米科技的研宄内容，九十年代年

5、共投入2至3亿美元。1993年，德国提出几个领域重点发展的关键技术中有一半涉及纳米技术。欧盟委员会在九十年代末研究报告中指出纳米技术将成为进入二十一世纪后世界经济的支柱产业。本世纪初年我国在制定十五期间科技发展方向的大会上将发展纳米科技作为今后科学发展的一项重要任务。由此，可以看出纳米科技将是今后世界各国作为未来竞争力的科技战略，是21世纪经济新的增长点之一，并有可能带动新一轮的工业革命。由于纳米材料具有很高的比表面积和反应活性，纳米颗粒与碳纳米管拥有许多不同于宏观材料的物理、力学性能。碳纳米管是目前己知的模量最高的材料，单壁碳

6、纳米管的杨氏模量高达ITPa,大约是钢材的5倍，多壁碳纳米管的杨氏模量稍低，约为几百个GPa。碳纳米管的密度为1.3~1.4g/cm3，是钢材的六分之一，其弹性应变为5%~12%，是钢材的60多倍。纳米颗粒如纳米Si02具有很高的反应活性，能够与水泥水化产物结合，改善微观结构。纳米材料理论上可以作为复合材料的增强相，可以使水泥基材料的抗折和抗压强度、耐久性、耐疲劳性等性能得到改善，这将大幅度提高水泥基复合材料性能。在某些特殊结构如大跨度跨海桥梁、核电站核反应堆安全保护壳、放射性废弃物储存容器、防腐、耐磨结构、高层建筑、水利工程特

7、殊部位等特种结构以及军事防护工程，对于水泥基复合材料的抗拉压强度、极限拉伸应变及断裂朝度指标都提出了新的要求。在现有研究基础上，一旦使抗拉强度得以大幅提高，水泥基复合材料就不再作为普通的建筑材料，而是能与有机高分子材料和金属材料相抗衡，甚至超越它们的优异性能进入机械制造、电子工业以及航天等高技术领域通过纳米技术向高科技领域渗透、交叉、融合，与传统技术相结合，进行技术创新，推动纳米科技成果的转化和应用。十五期间，国家着重发展了纳米技术在新材料、医学、化工、建筑、计算机等领域的应用。1.2纳米材料发展简介美国诺贝尔奖获得者、著名物理

8、学家RichardFeynman在1959年曾说过我相信人们在不久的将来可以在纳米尺度上操作物质，那时人类可以创造出新的物质，Feynman所说的物质就是由纳米粒子组成的纳米材料（nanomaterials)，纳米粒子一般是指尺寸在几纳米到几百纳米之间的粒子，这