纳米材料对混凝土综合性能的改变研究
纳米材料对混凝土综合性能的改变研究
摘 要： 综述了目前国内外学者对纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米二氧化钛等纳米材料在
混凝土中的应用及对混凝土力学性能、耐久性能等方面影响的研究进展, 总结了目前纳米材料
在研究及应用中存在的主要问题, 并提出了需要进一步深入研究的建议, 展望了纳米材料在混凝
土中应用的发展前景。
关键词： 纳米 SiO2; 纳米 CaCO3; 纳米 TiO2; 力学性能; 耐久性; 混凝土;
Abstract ：The research progress of domestic and foreign scholars on the application of nano-
materials such as nano-SiO2, nano-CaCO3 and nano-TiO2 in concrete, and their influence on the
mechanical properties and durability of concrete are reviewed. The main problems existing in the
research and application of nano-materials at present are summarized, and the direction of further in-
depth research is suggested. In addition, the prospect of application and development of nano-
materials in concrete is forecasted.
Keyword： Nano-SiO2; Nano-CaCO3; Mano-TiO2; Mechanical properties; Durability;
Concrete;
0、前言
纳米材料粒径一般在 1～100 nm, 颗粒极小但比表面积很大, 这种特性使其具有高表面活性、强
氧化性等一些特殊性质。混凝土是目前建筑行业中使用最广泛的材料之一。普通混凝土刚性大
而柔度小, 同时由于自身存在的一些天然缺陷, 混凝土在使用过程中经常出现开裂等现象, 甚至
引起结构破坏。目前, 提高混凝土性能的常用方法之一是材料的复合化。将纳米材料掺入混凝
土中可以在一定程度上改善和提高混凝土的物理、力学等方面性能。国内外学者将不同的纳米
材料 (如纳米 SiO2、CaCO3、TiO2 等) 加入混凝土中, 并对其力学及耐久等性能进行了大量的研
究, 并取得了丰富的成果。但依然存在一些研究不成熟的地方, 需要继续进行深入系统的试验研
究和理论分析。本文就近些年有关纳米材料对混凝土性能的影响研究内容进行综述, 对目前纳
米材料混凝土研究中出现的问题及需要进一步进行的研究提出意见和建议。
1 、 纳米材料对混凝土力学性能的影响
1.1 、 纳米二氧化硅对混凝土力学性能的影响
纳米二氧化硅 (以下简称 NS) 粒径小、比表面积大、稳定性和纯度高, 具有比硅灰更强的火山灰
活性, 能提高水泥的水化反应速率并提高水泥的水化效果, 加上其较好的晶核作用和填充效应,
成为众多科技工作者研究关注的重点。
NS 掺入混凝土中后, 良好的填充效果使得混凝土的密实度有所提高, 加之 NS 具有很高的活性,
与水化产物结合在一起形成新的水化硅酸钙凝胶相, 同时 NS 可以消耗一部分 Ca (OH) 2, 促进水
泥水化, 使得混凝土的力学性能有所提高。郑俊颖等[1]研究了不同掺量 NS 混凝土的抗压、劈
拉强度, 研究发现, 当NS 掺量为 0～1.5%时, 混凝土的抗压强度显着增加, 且随 NS 掺量的增加而
逐渐提高, 但对混凝土的劈拉强度影响不大。陈坚等[2]研究了 NS 对钢纤维混凝土抗压性能的
影响, 结果表明, NS 掺量在一定范围时能提高钢纤维混凝土的抗压强度, 尤其是早期抗压强度。
梁博等[3]对掺 NS 的普通混凝土和超细粉煤灰混凝土进行了抗压和劈拉试验, 结果表明, 对普通
混凝土来说, NS 的适宜掺量为 0.8%, 而对超细粉煤灰混凝土而言, NS 的适宜掺量则为
1.0%。Amin M 等[4]研究了不同掺量 NS 等对混凝土抗压、劈拉、抗折强度和弹性模量的影响,
结果表明, NS 最佳掺量为 3%。燕兰等[5]比较了掺 NS 的普通混凝土与钢纤维混凝土高温前后
的抗压强度, 研究发现, NS 能改善普通混凝土和钢纤维混凝土的高温抗压强度。Mohammed B S
等[6]研究了 NS 对粉煤灰部分替代水泥的透水混凝土性能的影响, 研究发现 NS 改性透水混凝土
的抗压强度有所提高, 而对其孔隙率和渗透性无不利影响。Jalal M 等[7]研究了 NS 掺量对高性
能自密实混凝土力学性能的影响, 从微观结构上看, 掺入 NS 的混凝土, 特别是较长龄期时, 其孔
隙结构更加细化致密, 混凝土强度得到提高。NS 掺入混凝土中后, 良好的填充效果使得混凝土
的密实度有所提高, 加之 NS 具有很高的活性, 与水化产物结合在一起形成新的水化硅酸钙凝胶
相, 同时 NS 可以消耗一部分 Ca (OH) 2, 促进水泥水化, 使得混凝土的力学性能有所提高。但由
于NS 对混凝土性能改善的作用机理目前尚未完全研究透彻, 例如NS 的合理掺量, 不同学者的
研究结果也不尽一致。
1.2 、 纳米碳酸钙对混凝土力学性能的影响
纳米碳酸钙 (以下简称 NC) 又称超细碳酸钙, 广泛应用于塑料工业、涂料行业等。NC 虽然活性
较低, 但由于其粒径为纳米级, 依然具有纳米材料的一些共性优点和性能, 加之其低廉的价格, 国
内外学者也进行了不少采用NC 进行改性混凝土的研究工作。
张茂花等[8]通过试验发现, NC 的掺入改变了混凝土的微观结构, 有利于促进水泥水化, 从而改善
混凝土的抗压强度, 最佳掺量为 1%。周艳华[9]对不同 NC 掺量的粉煤灰混凝土的力学性能进行
了研究, 试验发现, 掺加适量的 NC 可以改善混凝土的抗压强度和劈裂强度。仵鹏涛等[10]研究
发现, 在混凝土中掺加适量的 NC, 在一定程度上可以提高超高性能混凝土的动态抗压、劈裂强
度和动态增强因子。Xu Q L 等[11]通过试验发现, NC 掺量在 1%和2%时, 标准养护温度下, 混凝
土的强度可分别提高 13%和18%, 而在低温养护条件下时则可分别提高 17%和14%。Supit S W
M等[12]研究了 NC 对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度的影响, 试验发现, NC 的掺入使混凝土内部
形成了额外的硅酸钙水化产物, 微观结构更加致密, 1%掺量的 NC 可提高混凝土的早期及 28 d 抗
压强度。
1.3 、 其他纳米材料
随着纳米材料制备技术的不断发展, 纳米材料的种类也越来越多, 如纳米二氧化钛 (以下简称
NT) 、纳米 Fe2O3 和纳米 Al2O3 等。学者们关于他们在混凝土力学性能方面的影响也展开了相
关研究。
Jalal M 等[13]通过试验发现 NT 的掺入, 可加速 C-S-H 凝胶的形成, 从而提高混凝土试件的抗弯
强度, 同时 TiO2 纳米粉体还可以使孔隙分布更加优化, 减少有害孔隙, 从而改善混凝土的微观结
构。Deng Z Y[14]对在普通养护条件下掺 NT 的混凝土进行了试验, 发现 NT 的掺入可以在一定
程度上改善混凝土的抗压性能。朱靖塞等[15]人研究了纳米 Fe2O3 对混凝土力学等性能的影响,
研究发现, 纳米 Fe2O3 颗粒可以将水化产物吸附在其周围形成新的柱状网络, 提高了水泥石的密
实度, 改善了混凝土的强度和韧性。朱从进等[16]研究了纳米 Al2O3 对混凝土静动态力学性能
的影响, 研究表明, 纳米 Al2O3 提高了水泥硬化浆体的密实度, 对混凝土界面过渡区有很好的改
善作用, 从而使混凝土的强度和韧性得到显着改善。刘洋洋等[17]研究了掺入改性碳纳米管的混
凝土的力学性能, 研究表明, 当水灰比一定时, 随着碳纳米管掺量的增加, 其抗压强度和抗裂强度
均有所增加, 但当其掺量超过 0.3%时, 混凝土的抗压强度和抗裂强度反而降低。
大量研究表明, 纳米材料可以在一定程度上改善混凝土的力学性能, 如抗压强度、劈拉强度、抗
弯强度等。但还有以下问题需要注意或作进一步研究: (1) 纳米材料的均匀分散是难点, 目前关
于分散环节研究还不够清晰, 分散方法 (如混掺外加剂、超声分散、添加分散剂) 尚未有标准可
遵循, 还未找到一种效果较好的分散方法; (2) 纳米材料加入混凝土中后, 多数都对混凝土流动性
有不利影响, 在当今实际工程施工中对混凝土流动性要求较高的现状下, 协调两者之间的关系显
得尤为重要; (3) 纳米材料粒径的大小对混凝土性能的影响不可忽视, 但现有的文献中所选用的
纳米材料粒径各异, 目前在此方面缺乏研究; (4) 不同纳米材料混掺后对混凝土力学性能的影响
目前鲜见报道; (5) 对纳米混凝土高温后力学性能的研究开展的较少。
2 、 纳米材料对混凝土耐久性能的影响
2.1 、NS 对混凝土耐久性能的影响
Chithra S 等[18]研究了 NS 对高性能混凝土抗氯离子渗透能力的影响, 通过氯离子渗透试验可知,
NS 的掺入可提高混凝土的抗渗性能。张鹏等[19]研究了 NS 对混凝土抗碳化性能的影响, 结果
表明, 适量的 NS (7%) 可以提高混凝土的抗碳化性能, 但若过量则对混凝土的抗碳化性能不
利。Atmaca N 等[20]研究了 NS 对高强轻质混凝土透气性、耐久性的影响, 结果表明, 纳米材料
摘要：
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纳米材料对混凝土综合性能的改变研究 摘 要： 综述了目前国内外学者对纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米二氧化钛等纳米材料在混凝土中的应用及对混凝土力学性能、耐久性能等方面影响的研究进展, 总结了目前纳米材料在研究及应用中存在的主要问题, 并提出了需要进一步深入研究的建议, 展望了纳米材料在混凝土中应用的发展前景。 关键词： 纳米SiO2; 纳米CaCO3; 纳米TiO2; 力学性能; 耐久性; 混凝土; Abstract ：The research progress of domestic and foreign scholars on the application of nano-m...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
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属性：5 页
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时间：2023-05-11
