高性能混凝土

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1、纳米材料在水泥混凝土中的应用摘要：纳米材料在建筑工业中的使用会改变传统建筑材料的性能，使其抗压、抗折、抗拉伸等性能得到很好地改善，增强水泥混凝土材料的耐久性，延长使用寿命，这对于传统建筑未来的发展有着巨大的推动作用。关键词：纳米材料；耐久性1.前言普通硅酸盐水泥是最常见和广泛使用的建筑材料。这种材料的主要优点是原料生产遍布世界各地，成本低，施工方便，有成熟的特性和性能参数作为设计和施工依据。普通硅酸盐水泥通常和粗骨料、细骨料掺合在一起使用生产出从几毫米到几米厚的混凝土产品。混凝土是一种具有纳米结构的多相复合材料。它包含了从纳米级到微米级尺寸

2、的无定形晶体和结晶水。其性质和力学性能的下降都存在和发生于多尺度范围内(从纳米级到微米级到毫米级)，每一个尺寸上的结构特性都源于更小一级尺寸上的结构特性[1]。图1-1是混凝土材料内各种成分的尺度示意。普通水泥本身的颗粒粒径通常在7-200μm，但其约有70％的水化产物CSH凝胶的尺寸在纳米级范围。经测试，该凝胶的比表面积约为180m2/g，可推算得到凝胶的平均粒径为10nm。即水泥硬化浆体实际上是由水化硅酸钙凝胶为主凝聚而成的初级纳米材料[2]）。图1-1水泥浆是混凝土和其他水泥制品中的粘结剂。它的化学和物理性质决定了水泥浆的水化行为。水

3、泥水化是一个放热过程，而且是一系列复杂的受动力学控制的化学反应。矿物掺合料和化学外加剂也影响水化过程。矿物掺合料和化学外加剂也影响水化过程。水泥浆主要是水化硅酸钙(C-S-H)，也含有氢氧化钙(C-H)，钙矾石(AFt)，单硫铝酸钙(AFm)和其他一些少量的化合物，例如水榴石等。随着水化的进行，不同水化产物的量在改变，结构复杂性从纳米级(水化相的凝胶结构)到微米级(水泥颗粒尺寸)，并且延伸到毫米级(混凝土中集料的尺寸)。图1-2是纳米级C-S-H凝胶结构图[3-5]。图1-2混凝土的纳米科学和纳米工程，有时统称为纳米修正技术，已普遍用来描述

4、纳米技术在混凝土研究中的两大主要应用[6-8]。纳米科学主要用于对水泥基材料纳米级和微米级结构的测量与描述，以便更好地了解这些结构对混凝土宏观性质及性能的影响[9]。纳米工程主要围绕如何人为控制混凝土纳米级结构的方法，以此发展出一种新型的、“量身打造”的具有更好的力学性能和耐久性的水泥基复合材料。这种材料的主要功能特性包括：低电阻率，自我感应能力，自我清洁能力，自我加热能力，高延性，对裂缝的自我控制能力等。可以使用纳米级物体(如纳米微粒和纳米管)来对混凝土进行纳米改造，控制其材料行为并赋予它新的功能。也可以将纳米微粒“嫁接”到水泥分子、水泥

5、晶体、集料或添加剂上，使其表面功能化，来改善特定的界面之间的相互作用[10]。欲在水泥混凝土中使用纳米技术，则首先应该能够控制混凝土产品内这些纳米成份的数量以及它们的位置，若能使用化学或机械的工具来控制纳米孔和水化硅酸钙凝胶(CSH凝胶)的位置则混凝土就成为一个纳米技术的产物[11]。目前纳米材料在水泥混凝土中的研究应用状况主要包括：水泥水化的纳米级描述、纳米颗粒改性水泥、纳米技术在高性能、高耐久性混凝土中的应用、含特殊纳米材料功能性混凝土等[12]。2.纳米矿粉在水泥混凝土中的应用纳米材料由于具有小尺寸效应、量子效应、表面及界面效应等优异

6、特性，因而能够在结构或功能上赋予其所添加体系许多不同于传统材料的性能。利用纳米技术开发新型的混凝土可大幅度提高混凝土的强度、施工性能和耐久性能。硅灰是铁合金厂在冶炼硅铁合金或半导体硅时，从烟尘中收集的一种飞灰，主要成分是SiO2，平均粒径为100nm左右，实质是纳米级颗粒，亚微米级颗粒及少量微米级颗粒组成的混合物，具有优越的火山灰性能。硅灰掺入到水泥混凝土中，可以得到三方面的增强作用：(1)SiO2与水泥水化产物Ca(0H)2迅速进行二次水化反应，生成水化硅酸钙凝胶，这些凝胶不仅可以沉淀在硅灰的表面上，也可深入到细小的孔隙中，使水泥石密实；

7、(2)二次水化反应使混凝土中的游离Ca(0H)2减少，原片状晶体尺寸减小，在混凝土中的分散度提高；(3)由于Ca(OH)2被大量消耗，界面结构得到明显改善[13]。硅灰的填充和火山灰作用，使其成为一种有效的附加胶凝材料，能增强混凝土的物理力学性能，改善新拌混凝土的泌水和粘聚性，增加混凝土的强度，提高混凝土的抗渗、抗冲磨、抗腐蚀等性能[13-16]。纳米SiO2具有较高的火山灰反应活性，可以应用到水泥基材料中。纳米SiO2为非晶态，活性高于硅灰，随着纳米矿粉SiO2掺入，Ca(OH)2更多地在纳米SiO2表面形成键合，并生成CSH凝胶，起到了

8、降低Ca(OH)2含量和细化Ca(OH)2晶体的作用。同时，CSH凝胶以纳米SiO2为核心形成刺状结构，纳米SiO2起到CSH凝胶网络结点的作用。随着纳米矿粉CaCO3掺入，CS