混凝土是基本建筑材料，廣泛運(yùn)用于各種建筑物和構(gòu)筑物。隨著21世紀(jì)混凝土工程的大型化、工程環(huán)境的復(fù)雜化以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)混凝土材料提出了更高的要求。納米技術(shù)可改善混凝土的性能，極大地?cái)U(kuò)展了混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域。

納米材料改善混凝土的性能

1、納米二氧化硅

納米SiO₂是有硅或有機(jī)硅的氯化物高溫水解生成表面帶有羥基的超微細(xì)粉末，在水泥混凝土領(lǐng)域，由于納米SiO₂具有極強(qiáng)的火山灰活性、微集料填充效應(yīng)和晶核作用，可以增加混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

表 張韶軍等對(duì)不同應(yīng)力水平下納米SiO2水泥混凝土的疲勞試驗(yàn)

2、納米碳酸鈣

納米CaCO₃是一種活性低的礦物微粉材料，成本約為納米SiO₂的十分之一。摻入納米碳酸鈣粉體材料后，在微集料效應(yīng)、晶核效應(yīng)等的共同作用下，提高了堆積密度，有助于提高抗折和抗壓強(qiáng)度；納米碳酸鈣的晶核作用可以細(xì)化晶型，改善界面結(jié)構(gòu)，有助于混凝土耐久性的提高。

圖 添加納米碳酸鈣粉體材料（左）與普通試樣（右）凍融15次的外觀比較

3、碳納米管

碳納米管呈管狀，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，屬于很好的高強(qiáng)度纖維材料。將適量的碳納米管摻入水泥當(dāng)中，可有效改善材料的孔結(jié)構(gòu)和微裂紋，并起到橋聯(lián)作用，從而提高水泥基材的力學(xué)性能。下圖可見隨著碳納米管摻量的增加，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有變化：

4、納米碳纖維

納米碳纖維是由層狀結(jié)構(gòu)的石墨片卷曲而形成的呈現(xiàn)纖維狀的新型的納米碳材料，與碳納米管相比，它的成本比較小，在產(chǎn)量上有很大的優(yōu)勢。休斯頓大學(xué)Mo教授研究發(fā)現(xiàn)，摻適量納米碳纖維不但使混凝土具有優(yōu)良的壓敏特性，還可以改善其力學(xué)性能。

納米技術(shù)擴(kuò)展混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域

1、吸收電磁波的混凝土

據(jù)報(bào)道，人為的環(huán)境電磁能量密度每年增長可達(dá)7 %～14%，客觀上已形成電磁輻射污染，并被國際上公認(rèn)為第五害。

利用納米金屬粉末的特殊性能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(jié)構(gòu)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，可以用于軍事建筑。

2、凈化空氣混凝土

　　空氣污染對(duì)人類的健康有直接的危害，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(jí)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(duì)人體有害的污染氣體進(jìn)行分解去除，

起到凈化空氣的作用。

3、抗菌混凝土

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(jí)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(yīng)用于畜牧場建筑物。

4、自動(dòng)調(diào)濕混凝土

　　通過添加關(guān)鍵組分納米天然沸石粉制成的混凝土，可探測室內(nèi)環(huán)境溫度，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)控，滿足人的居住或美術(shù)館等建筑對(duì)濕度的控制要求，相比較于傳統(tǒng)的利用溫度濕度傳感器控制器和復(fù)雜布線系統(tǒng)，使用和維護(hù)成本低。這類材料比較適合對(duì)濕度控制要求比較高的美術(shù)館之類的建筑環(huán)境，如：世界首例使用環(huán)境調(diào)濕建材的工程是 1991 年日本月黑雅敘園美術(shù)館內(nèi)壁，此后還用于成天山書法美術(shù)館、東京攝影美術(shù)館等。

5、生態(tài)混凝土

將活性較高的納米材料通過凈水處理，添加到多孔混凝土中，借助混凝土的多孔性和粗糙性，可以使混凝土具備水質(zhì)凈化效果，形成生態(tài)型混凝土。經(jīng)特殊處理的混凝土表面可以滋生綠色植物，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。

6、智能混凝土

有關(guān)智能混凝土“自我診斷”、“自我調(diào)節(jié)”、“自我修復(fù)”的研究正在逐步深入。

　　1992 年日本清水建設(shè)的杉田先生研究了用高強(qiáng)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(dǎo)電性，測試電阻的變化，建立電阻與載體之間的模型，可預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，這一研究對(duì)重要混凝土結(jié)構(gòu)確保安全十分重要。

美國伊利諾伊斯大學(xué)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(jié)劑，埋入混凝土中，制成具有自修復(fù)智能混凝土。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中發(fā)生損傷時(shí)，空心玻璃纖維中的粘結(jié)劑流出愈合損傷，恢復(fù)甚至提高混凝土材料的性能。

日本學(xué)者 H. Hiarshi采用在水泥基材內(nèi)復(fù)合內(nèi)含粘結(jié)劑的微膠囊(稱為液芯膠囊)制成具有自修復(fù)智能混凝土。一旦混凝土材料出現(xiàn)損傷裂紋時(shí)，該裂紋附近的部分由于拉力作用而使部分膠囊破裂，凝結(jié)液流出，使損傷處重新粘合，達(dá)到自愈合的效果。

將混凝土設(shè)計(jì)成滿足不同環(huán)境和功能要求的建筑材料將愈發(fā)受到人們的青睞，高性能、高功能化混凝土是21世紀(jì)混凝土材料科學(xué)和工程技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)，其中，納米技術(shù)勢必將扮演越來越重要的角色。

參考資料：

[1] 張韶軍,張擎,馮勇.納米二氧化硅水泥混凝土路用性能試驗(yàn)研究[J]交通建設(shè)與管理，2011；

[2] 姚福貴,劉炳華.淺析納米碳酸鈣對(duì)道路用混凝土耐久性能的影響[J]公路交通科技，2017；

[3] 孫瑞平.納米材料對(duì)混凝土性能的影響分析[J]建材世界，2015；

[4] 梁暉,劉國軍.納米技術(shù)在現(xiàn)代混凝土中的應(yīng)用[J]建材百業(yè)，2005

粉體圈 作者：曦析