混凝土是基本建筑材料，廣泛運用于各種建筑物和構筑物。隨著21世紀混凝土工程的大型化、工程環境的復雜化以及應用領域的不斷擴大，人們對混凝土材料提出了更高的要求。納米技術可改善混凝土的性能，極大地擴展了混凝土的應用領域。

納米材料改善混凝土的性能

1、納米二氧化硅

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

表 張韶軍等對不同應力水平下納米SiO2水泥混凝土的疲勞試驗

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、晶核效應等的共同作用下，提高了堆積密度，有助于提高抗折和抗壓強度；納米碳酸鈣的晶核作用可以細化晶型，改善界面結構，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，六邊形結構連接完美，屬于很好的高強度纖維材料。將適量的碳納米管摻入水泥當中，可有效改善材料的孔結構和微裂紋，并起到橋聯作用，從而提高水泥基材的力學性能。下圖可見隨著碳納米管摻量的增加，抗折強度和抗壓強度均有變化：

4、納米碳纖維

納米碳纖維是由層狀結構的石墨片卷曲而形成的呈現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，在產量上有很大的優勢。休斯頓大學Mo教授研究發現，摻適量納米碳纖維不但使混凝土具有優良的壓敏特性，還可以改善其力學性能。

納米技術擴展混凝土的應用領域

1、吸收電磁波的混凝土

據報道，人為的環境電磁能量密度每年增長可達7 %～14%，客觀上已形成電磁輻射污染，并被國際上公認為第五害。

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構的重量，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

　　空氣污染對人類的健康有直接的危害，銳鈦型納米 TiO₂ 是一種優良的光催化劑，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、氮氧化物等對人體有害的污染氣體進行分解去除，

起到凈化空氣的作用。

3、抗菌混凝土

近年來出現了抗菌防霉混凝土，它是在傳統混凝土中摻入納米級抗菌防霉組分，使混凝土具有抑制霉菌生長和滅菌效果，該混凝土已被應用于畜牧場建筑物。

4、自動調濕混凝土

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

5、生態混凝土

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凈化效果，形成生態型混凝土。經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

有關智能混凝土“自我診斷”、“自我調節”、“自我修復”的研究正在逐步深入。

　　1992 年日本清水建設的杉田先生研究了用高強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。該混凝土根據碳纖維的導電性，測試電阻的變化，建立電阻與載體之間的模型，可預測混凝土結構的破壞，這一研究對重要混凝土結構確保安全十分重要。

美國伊利諾伊斯大學的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劑，埋入混凝土中，制成具有自修復智能混凝土。當混凝土結構在使用過程中發生損傷時，空心玻璃纖維中的粘結劑流出愈合損傷，恢復甚至提高混凝土材料的性能。

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

將混凝土設計成滿足不同環境和功能要求的建筑材料將愈發受到人們的青睞，高性能、高功能化混凝土是21世紀混凝土材料科學和工程技術發展的重點，其中，納米技術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研究[J]交通建設與管理，2011；

[2] 姚福貴,劉炳華.淺析納米碳酸鈣對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.納米技術在現代混凝土中的應用[J]建材百業，2005

粉體圈 作者：曦析