纳米技术将走红建筑混凝土材料市场

混凝土材料是当今世界用途最广、用量最大的建筑材料之一。自从1830年问世以来，历经180多年,作为最大宗的人造材料,它为人类社会的发展和进步做出了极为重要的贡献。纳米材料是当今材料科学研究的前沿，水泥混凝土是一种大众建材,人们逐渐认识到应用纳米技术对其进行改性。

一、纳米技术力促混凝土材料低碳减排

自1985年以来,我国水泥产业经历了较长时间的高增长期,水泥产量一直居世界第一。水泥为国民经济持续快速健康发展做出了重要贡献。目前我国仍处在快速发展时期，消费结构不断升级，城市化进程进一步加快，基础设施建设、房地产开发及大规模的经济建设都将继续拉动水泥产业的快速发展，水泥产业仍然是一个极具发展潜力的产业。然而，水泥产业是以矿产资源为基本原料，以化石能源为主要燃料,以高温窑炉这种高耗能、高排放作业方式为主体的产业，其碳排放量和能源消耗量在国民经济各行业中仍居于前列。因此,淘汰落后水泥产能和深入开展节能减排工作,不仅关系到产业升级和结构调整,也关系到能否顺利完成我国政府在哥本哈根会议上向国际社会作出的减排承诺指标的落实。降低二氧化碳排放强度一旦成为产业量化标准和强制目标,将给我国水泥工业结构转型和增长方式的转变带来一场“革命”。

二、混凝土材料中的纳米技术

纳米技术涉及物理、化学和生物系统在几个纳米到亚微米的范围内生产和应用，还涉及将所获得的纳米结构集成为较大系统。纳米技术还包括对物质进行直至单个原子的试验研究。纳米技术已经改变并且将持续改变我们的视觉、期待和控制材料世界的能力。这些发展将明确地影响建筑和建筑材料。近期的主要成果包括在原子水平上观察结构的能力和测量复合材料显微和纳米相的强度和硬度。新型纳米技术聚合物为高度有效的混凝土超塑化剂和具有期望的能量吸收容量的高强纤维。纳米颗粒，例如二氧化硅，是聚合物和混凝土的高效添加剂，在高强度和自密实混凝土方面取得的进步改善了混凝土的合易性和强度。

水泥浆是混凝土和其他水泥制品中的粘结剂,它主要是由普通水泥和水所组成。它的化学和物理性质决定了水泥浆的水化行为。水泥水化是一个放热过程，而且是一系列复杂的受动力学控制的化学反应。矿物掺合料和化学外加剂也影响水化过程。水泥浆主要是水化硅酸钙,也含有氢氧化钙,钙矾石单硫铝酸钙和其他一些少量的化合物，例如水榴石等。随着水化的进行，不同水化产物的量在改变，结构复杂性从纳米（水化相的凝胶结构）到微米（水泥颗粒尺寸），并且延伸到毫米（混凝土中集料的尺寸）。为了解水化过程，纳米尺度上的观察是必不可少的。

纳米技术能够给人提供一种水泥颗粒水化和水泥反应的纳米结构的亲临其境的观察。利用一束氮气原子，借助于核磁共振反应分析，通过对氢原子的跟踪，由于氢是水的必要组成或是水的反应产物的成分，从而，监测到反应的水泥颗粒。同时，也可以局限于反应过程中形成的不同的表面层。20nm厚的表面层担当半渗透的功能，它只允许水进入水泥颗粒内部而钙离子不能进入。然而，水泥中较大的硅酸盐离子被滞留在该层下面。随着反应的进行，硅酸盐凝胶层（没有钙离子的硅酸盐四面体凝胶层）在表面层的下面形成，在水泥颗粒内引起膨胀并最终导致表面层的破坏。释放出聚集的硅酸盐离子，与钙离子反应形成C-S-H凝胶，凝胶把水泥颗粒粘结在一起产生混凝土的强度。

水硬性胶凝材料的强度和耐久性是建立在矿物相的纳米结构和微观结构基础之上的。这些矿物相呈晶体状或无定形态，本质上就是水化硅酸钙（C-S-H）。当水与水泥或其他活性粉末颗粒表面接触时，这些矿物相就开始生长，形成反应界面。水化过程中形成的结晶相越致密，孔越少，则水化产物的微观结构越致密。抗渗性及其随时间的变化趋势主要受两个因素的影响。胶结料的水化能力有着非常重要的作用，它主要受化学成分、矿物相和表面（界面）的影响。另外，浆体中的水固比也有重要的作用，这是因为水固比影响新拌浆体中颗粒间的距离和硬化后建筑材料的孔隙率。反言之，上述两个因素又直接或间接地取决于所有颗粒的聚集形态。颗粒堆积越紧密，空隙越小，颗粒间距离越短，新拌状态下颗粒间隙中有一定量的水，随后又被反应产物填满。另外，纳米颗粒和微细颗粒的粒度分布对颗粒的紧密堆积也起着很重要的作用。同样，纳米颗粒和微细颗粒的形状、组织结构及其聚团的能力也对颗粒的紧密堆积有一定的影响。

普通水泥混凝土因其刚性较大而柔性较小，同时其自身也存在一些固有的缺陷，使其在使用过程中不可避免地产生开裂并破坏。为了解决这一问题就必须加速对具有特殊性能混凝土的研发，而纳米混凝土就能有效的解决这样问题，纳米混凝土，与普通混凝土相比，纳米混凝土的强度、硬度、抗老化性、耐久性等性能均有显著提高，同时还具有防水、吸声、吸收电磁波等性能，因而可用于一些特殊的建筑设施中(如国防设施)。

纳米防水水泥是通过在水泥中添加XPM水泥外加剂的纳米材料而制成的，该纳米外加剂掺入水泥后，可以加快水泥诱导期和加速期的水化反应，改善水泥凝固的三维结构，同时提高水泥石的密实度，增强了防水性能。纳米敏感水泥是在水泥中加入对周围环境变化十分敏感的纳米材料，从而达到改善水泥制品温敏、湿敏、气敏、力敏等性能。根据添加的敏感材料的不同可将纳米敏感水泥用于化工厂的建设、高速路面的铺设等。

纳米环保复合水泥是利用纳米材料的光催化功能，从而使水泥制品具有杀菌、除臭以及表面自清洁等功能。通常是选用TiO2作为纳米添加剂。纳米隐身复合材料是通过使用具有吸收电磁波功能的纳米材料(纳米金属粉居多)，在电磁波照射时，纳米材料的表面效应使得原子与电子运动加剧，促使电子能转化为热能，加强对电磁波的吸收，从何使材料能够在很宽的频带范围内避开雷达、红外光的侦查，这一材料常用于军事国防建筑等。

三、纳米复合硅酸盐水泥的功用与性能特点

复合硅酸盐水泥是由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥(简称复合水泥)。水泥中混合材料总掺加量按质量百分比应大于20%,不超过50%。凡由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,称为复合硅酸盐水泥(简称复合水泥,P·C水泥)。水泥中混合材料总掺加量按质量百分比应大于20%,不超过50%。水泥中允许用不超过8%的窑灰代替部分混合材料；掺矿渣时混合材料掺量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。

目前开发研制的纳米水泥材料包括纳米防水复合水泥、纳米敏感水泥、纳米环保复合水泥以及纳米隐身复合水泥。纳米防水水泥是通过在水泥中添加XPM水泥外加剂的纳米材料而制成的该纳米外加剂掺入水泥后，可以加快水泥诱导期和加速期的水化反应改善水泥凝固的三维结构，同时提高水泥石的密实度增强了防水性能。纳米敏感水泥是在水泥中加入对周围环境变化十分敏感的纳米材料，从而达到改善水泥制品温敏、湿敏、气敏、力敏等性能。根据添加的敏感材料的不同可将纳米敏感水泥用于化工厂的建设、高速路面的铺设等。

纳米环保复合水泥是利用纳米材料的光催化功能，从而使水泥制品具有杀菌、除臭以及表面自清洁等功能。通常是选用TiO2作为纳米添加剂。纳米复合材料是通过使用具有吸收电磁波功能的纳米材料，纳米金属粉居多在电磁波照射时纳米材料的表面效应，使得原子与电子运动加剧促使电子能转化为热能加强对电磁波的吸收，从而使材料能够在很宽的频带范围内避开雷达、红外光的侦查，这一材料常用于军事国防建筑等。

意大利的科研部门将太阳能利用技术中的光催化技术，应用于矿物质胶凝材料中,取得了较好成果。他们将TiO2掺加到水泥中,TiO2在适宜的光照下能产生光催化作用,使与其表面接触的有机物氧化,可清除附着在表面的脏物,尤其是加到白水泥中,可使用白水泥装饰的建筑物外墙面不玷污、不变色,用这种复合水泥可以配制表面粉刷材料,建造可自清洁的混凝土墙壁和

外表面粉刷层。硅酸盐水泥与TiO2的复合是一种良好的光催化剂,除对其自身有自洁作用外,还能消除空气中的一些有害物质,例如NOx、SOx、NH3、CO和挥发类有机物(如苯和甲醛),还有氯化的有机化合物以及醛、芳香族缩聚物等,这将成为减少大气中有害物质对城市环境污染的新途径。用纳米级碳中空纤维改性水泥基材料碳纤维增强水泥是一种适用于土木工程结构的机敏材料,不仅具有优良的力学性能,而且具有压敏、温敏及电磁屏蔽等特性,在大坝、道路、桥梁等大型基础设施的健康监测、重要仪器设备的电磁屏蔽以及机场、桥梁等的除雪系统方面已展示出良好的应用前景。目前,国内外学者对碳纤维增强水泥中纤维分散性的研究已取得一定成果,掺入的碳纤维大多是由沥青或聚合物高温分解而得的传统碳纤维,其直径为7～15μm,具有实心碳层结构。由含碳气体分解而制备的气相生长碳纤维(VGCFs)直径较小,具有中空结构,因其优越的性能,可作为增强相和功能相用于复合材料中。

四、纳米矿粉在水泥混凝土中的应用

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。硅灰是铁合金厂在冶炼硅铁合金或半导体硅时，从烟尘中收集的一种飞灰，主要成分是SiO2，平均粒径为100nm左右，实质是纳米级颗粒，亚微米级颗粒及少量微米级颗粒组成的混合物，具有优越的火山灰性能。粉煤灰是一种人工火山灰材料，是燃煤电厂煤粉炉烟道中收集的细颗粒粉末。粉煤灰作为一种优良的活性掺合料被用于混凝土中，被作为混凝土的第六组分，用于配置高强混凝土，高流态混凝土和泵送混凝土。优质粉煤灰中含有大量的SiO2和Al2O3，它们是活性较强的氧化物，参入水泥中能与水化产物Ca(OH)2进行二次反应，生成稳定的水化硅酸钙凝胶，具有明显的增强作用。

纳米SiO2具有较高的火山灰活性,将纳米SiO2掺入到水泥基材料中,其强度和流动性都有所提高,但掺量不宜过高。进一步就纳米SiO2和硅灰对水泥基材料的改性研究表明,纳米SiO2材料能明显降低水泥浆体的结构缺陷,提高水泥硬化浆体的强度。在混凝土中掺入纳米矿粉CaCO3,水化硅酸钙凝胶可在纳米CaCO3表面形成并键合,钙矾石也可在CaCO3表面生成,均可形成以纳米CaCO3为核心的刺猬状结构。可见将纳米矿粉CaCO3应用于混凝土中,可改善水泥硬化浆体的微观结构。

纳米矿粉在水泥混凝土中的应用混凝土是当今应用最广泛、最重要的工程材料之一,利用纳米技术和纳米矿粉开发的新型混凝土,可大幅度提高混凝土的强度、施工性能和耐久性能,纳米矿粉主要包括纳米SiO2、纳米CaCO3和纳米硅粉等。纳米矿粉如纳米SiO2、纳米CaCO3和纳米硅粉等不但可以填充水泥的空隙,提高混凝土的流动度,更重要的是可改善混凝土中水泥石与骨料的界面结构,使混凝土的强度、抗渗性与耐久性均得以提高。有报道,当纳米材料的添加量为水泥用量的1%～3%,并在高速混合机中与其他混合料进行混合后,制备的纳米复合水泥结构材料在7d和28d龄期的水泥硬化强度,比未添加纳米材料提高约50%,而且韧性、耐久性等性能也得到较大的改善。

五、纳米金属粉末及金属氧化物在混凝土中的应用

纳米金属粉末在混凝土中的应用由于纳米材料的表面效应,增强了纳米材料的活性,使得纳米金属粉末具有两个特殊性能,一是纳米金属粉末的强度、硬度高,并随着晶粒尺寸的减小,其强度、硬度不断提高,同时还表现出非常好的塑韧性;二是纳米金属粉末是一种良好的吸波材料。利用纳米金属粉末的上述特殊性能,将其掺入到水泥混凝土中,可制成具有功能性的电磁屏蔽混凝土。纳米金属氧化物在混凝土中的应用锐钛型纳米TiO2是一种优良的光催化剂,它具有净化空气、杀菌、除臭、表面自洁等特殊功能。利用纳米TiO2具有净化空气的特性来制备光催化混凝土,它在净化机动车排出的尾气时发生了光催化反应,对机动车辆排放的二氧化硫、氮氧化物等对人体有害的污染气体进行分解去除,起到净化空气的作用。

聚合物或无机纳米复合材料在混凝土中的应用由于聚合物或无机纳米复合材料的优异性能,使得有关它的理论和应用研究成为当前复合材料的热点,而且有可能应用于水泥混凝土中。将聚合物或无机纳米复合材料用于水泥混凝土中,不仅可以提高混凝土的抗压、抗拉和弯曲强度,而且可提高其耐久性。在混凝土混合料中掺入一定量的聚合物或无机纳米复合材料,使之均匀地分散在混凝土中,利用聚合物或无机纳米复合材料的导电性能,通过测试电阻的变化,建立电阻与荷载之间的模型,从而可以预测混凝土结构的破坏。

锐钛型纳米TiO2是一种优良的光催化剂,它具有净化空气、杀菌、除臭、表面自洁等特殊功能。利用纳米TiO2具有净化空气的特性来制备光催化混凝土,它在净化机动车排出的尾气时发生了光催化反应,对机动车辆排放的二氧化硫、氮氧化物等对人体有害的污染气体进行分解去除,起到净化空气的作用。利用纳米金属氧化物材料可以进行电磁屏蔽,还可以用来制备智能水泥混凝土,这种水泥混凝土具有较强的导电性能,同时还具有传感作用。

六、结语

近20多年以来,混凝土朝着高强度、高性能、绿色化生态建材发展,高性能混凝土在世界各地获得了比较广泛的应用，绿色高性能混凝土是混凝土的发展方向。围绕《国家中长期科技发展规划纲要》“重点领域”中的优先主题“制造业”等方向，针对水泥混凝土制造业节能减排和国家重大工程对水泥混凝土材料功能化、长寿命的需求，大力研究推广低碳技术，满足国家建设需求，使水泥混凝土行业科学、可持续发展。