纳米级颗粒在水泥基材中的应用概况

1纳米颗粒改性水泥基混凝土的应用概况ApplicationsituationsonNano-ModifiedCementConcrete姓名：卞周宏学号：2014111113000986任课老师：王贤保教授课程：纳米材料摘要随着混凝土材料的不断发展，高性能已成为混凝土材料的主要发展趋势。高性能混凝土（HPC）作为具有高性能的新型水泥基复合材料，在工程实践中得到了越来越广泛的应用。纳米材料作为一种新型材料，在很多领域也都得到了应用，在高性能混凝土中也是如此。本文围绕纳米材料和高性能混凝土这两个出发点，通过对纳米材料的表面与界面特性的了解，研究了其对混凝土的强度和耐久性的影响，分析了纳米材料在混凝土中的作用机理，为二者复合提供了一定的依据。关键词：高性能混凝土纳米材料表面效应火山灰活性ABSTRACTSWiththecontinuousdevelopmentofconcretematerials,highperformancehavebecomethemaintrendsofdevelopmentofconcretematerials.Highperformanceconcrete(HPC)asanewtypeofcement-basedcompositematerialswithhigh-performances,hasbeenmoreandmorewidelyusedinengineeringpractice.Nano-materialsasanewtypeofmaterialshavebeenappliedinmanyareas,samelyinconcrete.Thispaperstudiedtheinfluenceonthestrengthanddurabilityofconcreteandanalyzedthemechanismofnanomaterialintheconcrete,providedacertainbasisforthecompositebyroundingthenanomaterialsandhighperformanceconcreteofthosetwoaspectsandthroughtheunderstandingofsurfaceandinterfacepropertiesofnanomaterials,KEYWORDS：Highperformanceconcrete(HPC)Nano-materialsSurfaceeffectVolcanicactivity21纳米材料与水泥基混凝土的发展1.1纳米技术简介纳米技术是在20世纪80年代末诞生并正在飞速发展的一门新技术，而纳米材料是纳米技术发展的重要基础，也是纳米技术最为重要的研究对象。纳米材料是指颗粒尺寸在纳米量级（1nm~100nm）的超细材料，其颗粒尺寸比原子簇（尺寸小于1nm）粒子要大，比通常的微粉粒子却要小，介于原子簇和宏观物体交界的过度区域，是一种比较典型的介观系统，主要包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种颗粒材料。随着物质尺寸不断的超细化，其表面电子结构和晶体结构均发生了变化，产生了宏观物质材料所不具有的许多特殊性能，如小尺寸效应、表面效应、量子粒化效应和宏观量子隧道效应。因而超细粉末具有异于常规颗粒材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。纳米材料的这些优异的特性使得其在宇航、机械、电子和化工等许多行业都得到了广泛的研究和应用，在混凝土行业中也是如此。1.2水泥基混凝土的发展趋势1.2.1超复合化混凝土是以水泥石为基相、骨料作为分散相的分散复合结构，以其抗压强度高、耐火性好、使用灵活、施工方便等优点一直沿用至今。然而水泥的矿物组成从根本上决定了其低韧性和低抗拉强度的弱点。只有从改变混凝土的组成入手才能解决混凝土高韧低脆的缺陷，其中包括微细观复合化和宏观复合化。1.2.2高强、高性能化混凝土高强化的意义在于减轻建筑物的自重，目前我国大中城市中，预拌混凝土工厂已经比较成熟的掌握了C50-C60混凝土配制与泵送技术，现正在逐步得以提高，而C50-C60混凝土在大面积推广和高强混凝土的研究中应致力于提高混凝土的延性、抗裂性与抗拉强度。高性能混凝土的实现途径在于完善其组成材料和工艺过程，在组成材料方面，通常使用高效减水剂和超细矿物掺合料(包括超细微粉、细磨矿渣和粉煤灰等)，超细矿物细掺料，特别是纳米材料的加入能够明显改善水泥石的孔结构和密实程度，提高混凝土的耐久性；在配合比方面又用低水胶比，最大可能的消除因水分散失带来的不利影响；在制备工艺上采用完善的质量管理体系，消除在施工过程引起的缺陷。HPC不仅具有性能上的优势，而且在组成材料中大量利用工业废渣，显著减少水泥用量,因此从可持续发展的角度而言，高性能混凝土本身就是绿色混凝土。1.2.3高功能、高智能化到目前为止，所使用的混凝土绝大多数都是只有单一功能的，这使得混凝土在某些特殊3位置的使用上受到了极大的限制。早在1994年日本东京工业大学的长泷重义教授就提出了“土木工程混凝土材料的高性能化、高功能化”。在国际上高性能混凝土(HighPerformanceConcrete)不断发展的同时，高功能混凝土(HighFunctionConcrete)已经崭露头角，并且展示出极大的生命力。与此同时，随着现代电子信息技术和材料科学的发展，混凝土的智能化也成为混凝土发展的努力方向。智能混凝土是在混凝土原有组分的基础上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆、自适应、自修复的特性的多功能材料。它在对重大土木基础设施的应变的实量监测、损伤的无损评估、及时修复以及减轻台风、地震的冲击等诸多方面有很大的潜力，对确保建筑物的安全和长期的耐久性都极具重要性。因此混凝土的功能单一问题必须在不断的实践中得到解决。诚然，人类文明还将对混凝土不断提出新的功能要求，这些均需我们去发现、去研究、去完成。只有使混凝土不断具有新的复合功能，才能跟上人类文明发展的步伐,才能永葆青春。混凝土功能、智能一体化的进程必须加速。1.3纳米材料在水泥基材料中的应用前景1.3.1环保混凝土纳米锐钛型TiO2是一种优良的光催化剂，具有净化空气、杀菌、除臭等特殊功能，利用它的这些特殊功能可以制备环保混凝土：如在公路、街道路面的混凝土中掺入纳米TiO2，可以除去汽车尾气中释放的对人体有害的气体如SO2和氮氧化物，达到净化空气的目的；在医院病房、手术室所使用的地面及墙体的混凝土中加入纳米TiO2，可起到杀菌、净化空气的作用。1.3.2屏蔽混凝土利用纳米金属粉末高的强度、韧性以及良好的吸波性能，将其应用到混凝土中，可以制得具有功能性的电磁屏蔽混凝土。一方面若将纳米金属粉末涂在混凝土的表面，使得混凝土具有隐身功能，从而逃避雷达的侦查；另一方面，纳米金属粉末可参与水泥的水化过程，提高混凝土的强度和抗冲击韧性。因此，这种特殊混凝土不仅强度高，耐冲击性能好，还因为具有很好的隐身效果，可以用于军事掩体工程。1.3.3智能混凝土由于纳米材料巨大的比表面积和界面，使得它对外界环境（如温度、光、湿度等）十分敏感，环境的变化会迅速的引起表面和界面离子价态的和电子输运的变化，利用纳米材料的这种特殊性能可以制备智能混凝土。如在混凝土中掺入某种纳米金属氧化物，会使混凝土具有较强的导电性能，同时还具有传感作用，这样就可以便于监控混凝土结构的开裂与破坏情况及其损伤评价、检测车重与车速等。此外，由于聚合物/无机纳米材料具有良好的增强、增韧作用，良好的导电性、耐热性能和耐稳定性，若把聚合物或无机纳米材料应用到水泥混4凝土中，不仅可以提高混凝土的抗压、抗拉、弯曲强度以及耐久性，而且因其优异的导电性能可制备具有“自我诊断”功能的混凝土，用于预测混凝土结构的破坏。2纳米材料表界面效应2.1纳米材料的表面效应随着微粒粒径的减小,其比表面积大大增加,位于表面的原子数目将占相当大的比例。例如粒径为5nm时，表面原子的比例达到50%；粒径为2nm时，表面原子的比例数猛增到80%；粒径为1nm时，表面原子比例数达到99%，几乎所有原子都处于表面状态。庞大的表面使纳米微粒的表面自由能(△G=ΓdA)，剩余价和剩余键力大大增加。键态严重失配，出现了许多活性中心，表面台阶和粗糙度增加，表面出现非化学平衡、非整数配位的化学价，导致了纳米微粒的化学性质与化学平衡体系有很大差别。我们把这些差别及其作用叫做纳米微粒的表面效应。从电镜研究中也可以看出，由于强烈的表面效应使得纳米微粒的微观结构处于不断的变化之中。例如在1.5-2nm或20-30nm的微粒中存在着多重双晶、层状双晶、多粒子(类似块材中的多晶体)以及立方八面体、十二面体和二十面体等多种结构。同时表面电子的自旋构象和电子能谱也不停地变化。2.2纳米材料的界面效应由纳米微粒制成的纳米固体，它不同干长程有序的晶态固体，也不同于长程无序短程有序的非晶态固体，而是处于一种无序状态更高的状态。格莱特认为，这类固体的晶界有“类气体”的结构，具有很高的活性和可移动性。从结构组成上看它是由两种组元构成，一是具有不同取向的晶粒构成的颗粒组元，二是完全无序结构各不相同的晶界构成的界面组元。由于颗粒尺一寸小、界面组元占据了可以与颗粒组元相比拟的体积百分数，例如当颗粒粒径为5-50nm时构成的纳米固体，界面所占体积百分数约为50%-30%。晶体界面对晶体材料的许多性能有重大的影啊，例如热学、电学、力学和磁学等很大程度上取决于原子间的相邻状态。由于纳米固体的界面与通常晶粒材料有很大的不同，界面组元的增加使纳米固体中的界面自由能大大增加，界面的离子价态，电子运动传递等与结构有关的性能发生了相当大的变化，这种变化我们称为纳米固体的界面效应。纳米固体的一些性能与具有类似化学成分的晶态固体物质在多相催化、太阳能利用、感光乳剂、传感器、功能性材料的开发和应用方面起着十分重要的作用.2.3小尺寸效应随着颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。纳米颗粒尺寸小，比表面积大，在熔点、磁学性能、电学性能和光学性能等都较大尺寸颗粒发生了变化，产生出一系列奇异的性质。如金属纳米颗粒对光的吸收效果显著增加，而直径为2nm的金和银的纳米颗粒，其熔点分别降为330℃和100℃。52.4量子尺寸效应处于纳米尺度的材料,其能带将裂分为分立的能级，即能级的量子化，而金属大块材料的能带，可以看成是连续的。纳米材料能级之间的间距随着颗粒的尺寸的减小而增大。当能级间距大于热能、光子能量、静电能以及磁能等的平均能级间距时，就会出现一系列与块体材料截然不同的反常特性，这种效应称之为量子尺寸效应。量子尺寸效应将导致纳米微粒在磁、光、电、声、热以及超导电性等特性与块体材料的显著不同。纳米材料的结构不同于常规物质，属于物质由宏观世界向微观世界的过度区域，因此才有如上许多不同的特殊性能。基于纳米材料的特殊性能以及混凝土材料科学的不断发展,如何把纳米材料引入混凝土这一传统建筑材料中来，逐渐成为混凝土材料工作者在实践中不断探索的课题。纳米材料的各种奇特效应将显著改变混凝土的功能性，引入纳米材料所开发的新型复合材料将赋予混凝土新的生命。3纳米材料表面与界面常用的测试方法固体材料的表面与界面分析已发展为纳米薄膜材料研究的重要内容，特别是对于固体材料的元素化学态分析、元素三维分布分析以及微区分析。目前，常用的表面和界面分析方法有：SEM、TEM、X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子能谱(AES)、静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。其中XPS占了整个表面成分分析的50%，AES占了40%，SIMS占了8%。在这些表面与界面分析方法中，XPS的应用范围最广,可以适合各种材料的分析,尤其适合材料化学状态的分析,更适合于涉及到化学信息领域的研究。AES分析的应用主要偏重于物理方面的固体材料科学的研究，其特点是具有很高的空间分辨能力以及深度分辨能力，可以提供三维方向的各种化学信息。SIMS和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用较少，但随近年飞行时间质谱(TOF-SIMS)的发展，使得质谱在