纳米材料对混凝土性能影响研究进展

发表时间:2019/6/26   来源:《防护工程》2019年第6期   作者:金星
[导读] 由于混凝土材料在工程中的应用范围不断扩大,人们对混凝土材料的性能要求也在逐渐提高。
北京市市政四建设工程有限责任公司  辽宁沈阳  110000
  摘要:本文主要对混凝土性能的影响因素进行了分析,及讨论纳米材料对混凝土性能的影响。但由于纳米材料成本问题,在一定程度上限制了其在混凝土实际工程中的应用和发展。因此,进一步研究如何有效降低纳米混凝土的成本及针对实际工程项目的应用,将会是纳米混凝土未来的探究方向,使纳米混凝土材料具有更广泛的发展应用空间。
  关键词:混凝土;纳米材料;耐久性;力学性能
  
  
  引言
  由于混凝土材料在工程中的应用范围不断扩大,人们对混凝土材料的性能要求也在逐渐提高,而纳米材料性能优异,将纳米材料与混凝土材料相融合,可以有效促进混凝土应用领域的发展与完善。
  1混凝土性能的影响因素
  1.1原材料
  混凝土配合比的设计,实质上就是根据原材料的技术性能、设计要求及施工条件,设计出满足和易性、强度、耐久性以及经济性要求的混凝土。配合比设计的变量的改变,直接影响到混凝土的各个方面的性能,是最直接的影响因素。
  1.2混凝土的冻融破坏
  混凝土的冻融破坏是混凝土自身内部各种不同应力相互作用产生的结果,在冻融循环的过程中,混凝土自身的力学性能和耐久性能都会产生不一样的改变。冻胀迫使混凝土自身内部的许多不产生影响的无害孔和对其本身产生较小程度危害的少害孔缓慢变大,混凝土本身具有较大程度危害的有害孔和多害孔也会迅速增大,这些孔隙之间互相贯通,使得混凝土的自身强度和耐久性能降低。
  1.3混凝土的抗渗性
  混凝土的表面密度直接影响到外部物质是否可以进入到混凝土内部,对其内部结构产生破坏,进一步对整个混凝土构件产生影响。混凝土表面易接触外界环境,如氯离子的渗透会对内部的钢筋进行锈蚀,钢筋锈蚀后使得钢筋与混凝土的粘结力下降,导致强度降低引起混凝土破坏。因此混凝土抗渗性直接影响混凝土的耐久性。
  1.4外界因素
  外部因素包括湿度、温度、二氧化碳浓度等因素,均从不同的方面影响着混凝土的力学性能和耐久性。如在酸雨、酸性气体等腐蚀性物质作用下,会引起混凝土存在碳化、中性化的变化过程,从而使其内部的钢筋受到腐蚀和氧化导致锈蚀失效;混凝土内部碱性成分与活性成分发生的碱-集料反应。近年来,由于受到厄尔尼诺现象的影响,全球降雨量持续增加,雨水的冲洗也会对混凝土进行磨损,严重者甚至引起混凝土性能的破坏。
  2纳米材料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。XuQL等通过试验发现,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%。

SupitSWM等研究了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28d抗压强度。
  3纳米材料对混凝土耐久性能的影响
  3.1NS对混凝土耐久性能的影响
  ChithraS等研究了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。AtmacaN等研究了NS对高强轻质混凝土透气性、耐久性的影响,结果表明,纳米材料的掺入降低了混凝土的吸水率和透气性。梅军帅等利用X射线衍射、SEM电镜扫描等手段研究了NS改性砂浆对混凝土抗氯离子渗透性的影响,研究表明,NS改性的砂浆致密性提高,可以有效改善混凝土的抗氯离子渗透能力。于文勇、孙凌等通过抗冻试验研究了NS对桥梁混凝土抗盐冻性能的影响,研究表明,NS与混凝土水化产物大量健合,改善了混凝土的微观结构,使其更加密实,较大幅度地增强了混凝土的抗盐冻剥蚀性能。
  3.2NC对混凝土耐久性能的影响
  王德志等研究了NC对混凝土抗冻性能的影响,结果表明,纳米级矿物掺合料通过改善水化产物的微观结构,显著提高了混凝土的抗冻性。张茂花等通过试验发现当NC掺量为1%时,混凝土的抗硫酸盐性能效果最佳。姚福贵等通过实例分析了NC对道路混凝土抗渗及抗冻性能的影响,研究表明,掺入NC可以使混凝土中孔隙量减少,大大提高了道路混凝土的抗渗性和抗冻性能。霍建梅等研究了NC对橡胶再生混凝土干湿腐蚀循环性能的影响,研究表明,NC可以改善橡胶再生混凝土的密实度进而提高其耐干湿腐蚀循环性能。周艳华通过冻胀循环试验对不同NC掺量的粉煤灰混凝土的抗冻性能进行了研究,试验发现,掺加纳米材料有效填充了混凝土的孔隙,改善了混凝土的抗冻性能。QianKL等通过试验发现掺入NC可以有效填充孔隙,密实混凝土,显著改善粉煤灰混凝土的抗碳化性能和抗氯离子渗透性能,但对粉煤灰混凝土的收缩率影响不大。
  4纳米材料对混凝土其它性能的影响
  YekkalarM等采用环境生命周期评估法对掺NS混凝土的环境功能进行了评价,结果表明,使用1.5%的NS可使混凝土的寿命周期成本降低10%,并可降低全球变暖指数。WuZM等通过试验研究了NC对2%钢纤维增强超高性能混凝土(UHPC)微观结构发展、纤维-基体界面黏结性能的影响,结果表明,掺入3.2%的NC后,UHPC的纤维-基体结合性能得到明显改善,主要是由于纳米材料的加入使得界面更加致密;但当含量超过3.2%时,由于NC出现团聚情况导致混凝土孔隙率增加,UHPC的纤维结合力反而出现下降。纳米TiO2屏蔽紫外线作用强,具有良好的分散性和耐候性,具有抗菌、自洁净和抗老化性能,应用于混凝土中可以降解汽车尾气排放的氮氧化物等。何柳等研究了NT掺量等对混凝土电磁吸波性能的影响,研究表明,NT的掺入改变了混凝土的电磁参数,影响了混凝土与自由空间的波阻抗匹配,进而影响了混凝土的电磁波反射率。田浩研究了NT光催化混凝土的制备及其光催化去除NO的性能,研究表明,将NT掺入混凝土中可以充分利用光催化去除NO。
  5结束语
  通过不同研究文献可知掺入纳米材料的混凝土和对掺入纳米材料的含量进行控制等不同的前提下,纳米材料均对混凝土性能产生了一定的影响,但由于纳米材料成本问题,在一定程度上限制了其在混凝土实际工程中的应用和发展。因此,进一步研究如何有效降低纳米混凝土的成本及针对实际工程项目的应用,将会是纳米混凝土未来的探究方向,使纳米混凝土材料具有更广泛的发展空间。
  参考文献:
  [1]郑俊颖,李古,傅智威,等.掺纳米二氧化硅对混凝土力学性能影响的试验研究[J].工业建筑(增刊),2017:1529-1533.
  [2]陈坚,蒋子平.纳米SiO2对混凝土抗压强度的影响作用[J].建筑技术,2017,48(1)38-40.
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