SiO2等纳米材料对混凝土性能的影响分析

SiO2等纳米材料对混凝土性能的影响分析

吕东洋

中交第三航务工程局有限公司上海市200032

摘要：纳米材料因为其多种物理化学性质已经广泛被各行各业运用，其中不具备常规流体性质的纳米流体就具备配置液多种工作特性下的要求，其中在工程材料行业急需的降滤失、页岩抑制、流型调节及井壁稳定强化功能的配置液性质可以在纳米流体中充分实现。本文依据笔者在中交集团质量工程方面多年工作经验，在理论结合实际的前提下以SiO2等纳米材料对混凝土性能这一针对性细节展开深入探讨，为同行提供建设性意见。

关键词：纳米材料；混凝土；性能；影响

1、引言

随着社会的进步与建筑行业对材料的新要求，以混凝土为代表的抗压、抗剪、抗；裂变老化性能已经在纳米材料的研发与运用上升级上了一个新台阶。纳米材料因为其多种物理化学性质已经广泛被各行各业运用，其中不具备常规流体性质的纳米流体就具备配置液多种工作特性下的要求，其中在工程材料行业急需的降滤失、页岩抑制、流型调节及井壁稳定强化功能的配置液性质可以在纳米流体中充分实现。在以后更加苛刻的工程环境下特种环保型纳米钻井液具有广阔前景。当前由于建筑工程混凝土构架在不同地层压力、不同岩层物性和不同环境要求的不同。相关纳米技术在建筑工程行业中的大规模应用还是需要不断改进和成本节余。在结构上优化混凝土构件工程全过程，保证建筑体的长治久安。本文依据笔者中交集团质量工程方面多年工作经验，在理论结合实际的前提下以SiO2等纳米材料对混凝土性能这一针对性细节展开深入探讨，为同行提供建设性意见。

2、SiO2等纳米材料在混凝土中的应用

纳米材料因为其颗粒大小独特其粒径降至10m时，物质表面原子占比仅为20%，所以比表面积大，但是其分布于粒子表面的原子数与总原子数随粒径成反比变化规律。如若颗粒材料粒径为1nm，粒子表面显现为全部原子集中现象。基于此赋予了纳米材料独特的尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应等特殊性质。能充分解决工程实践环节的结构、物理和化学性质等诸多方面问题。

图1纳米材料粒径图

国外相关学者研究发现，在建筑工程中大多数水泥基材料中含有纳米级水化物，其C.S-H凝胶级别占70%以上。通过深入测试定量分析可知所测凝聚有200～300m2/g的比表面积，计算得出凝胶平均粒径为10nm。在工程实际中可以认定为水化硅酸钙凝胶为主的物质是促使水泥硬化的主要浆体材料之一。通过扫描电镜观测，该种凝胶纳米材料结构粗糙，进一步室内研究可知，在添加一定类别与含量的（纳米TiO：、纳米si0：、纳米cacO）纳米矿粉后可以有效强化混凝土力学抗变性与耐久性。在机理方面可以理解为纳米级矿粉影响改变了凝胶结构，以至于在一定程度上诱导水泥水化反应和产物发生变化。所以在现场运用环节应注重诱导方式是变化与最终结构的合理。

（1）纳米Tio：该种材料因为自身特殊性在抗菌环保，生态材料方面运用广泛。在机理方面因为自身较为稳定的能力和强光催化作用，所以能在一定光源干预下进行氧化分解，而自身保持稳定。在此前提下其相应反应能有效破坏有机物中的C.C、C.H、C.N、C.O和0-H键，并能高效分解，所以具备强杀菌效应。不仅如此它还能消除介质中的甲醛、苯甲硫醇、氨气等有害气体并能净化液体中的有机废物。工业运用上使用该种材料进行陶瓷、玻璃及其相关抗菌涂层材料的制造能有效满足任务要求，在强氧化分解和超亲水作用下适应工作环境。

（2）纳米sio：该种材料业内运用规模较大，也相对成熟。该种纳米材料因为可以深入到高分子化合物的盯键附近并发生电子云重叠效应，突发诱导成空间网状结构。以至于最终的成型混凝土构件力学性质优异。另外对比于其他混凝土材料因为其纳米siO特性可以形成一定量不饱和Si-0残键和一些羟基，因为其欠氧左右而导致稳态的混凝土具有一定反应活性，便于二次加工利用，所以后续改造性能显著。

（3）纳米caCO：该种材料也相对较为常见，主要具有粒度小、表面能高等特点。主要机理为粒子表面羟基相互作用形成氢键，纳米粒子间依靠氢键作用而相互聚集，极易团聚。运用过程中因为其能进行有效表面改性，所以能充分降低表面性能，再者该种材料成本较低，性能稳定，能大量使用。

3、SiO2等纳米材料对混凝土性能的影响

（1）对混凝土强度的影响。在一定程度上研究了纳米Sio2对混凝土所起的增强作用效果，结果表明：对于不同水胶比的混凝土，掺加不同掺量的纳米Sio2后均能不同程度地提高混凝土的早期和后期抗压强度（早期比后期增强效果显著）。可能的原因是水化反应初期，具有高活性的Sio2能够较快地与水泥的水化产物Ca（OH）2发生二次反应生成具有强度的水化硅酸钙凝胶，从而提高混凝土早期抗压强度。随着水化反应的不断进行，当混凝土内部相对湿度降到某个临界值时，水化反应就会停止。由于纳米Sio2的比表面积非常大，与水拌合后吸附的表层水数量很大，这会使得参与水化的水的数量减少，从而导致后期强度增长不明显。

（2）对混凝土工作性的影响。混凝土良好的工作性要求有好的流动性，能填充密布的钢筋间隙和模板角落；良好的粘聚性以利于在运输、浇筑、振捣、养护过程中不发生分层、离析现象；还要求具备良好的保水性，不泌水。据报道，纳米Sio2和纳米CaCo3的掺入均可使UHPC的流动性下降；而且掺量越多，下降幅度越大。可能是因为纳米材料极大的比表面积使得水泥浆体的需水量增加。

4、结语

纳米技术由于其量子尺寸相应及其诸多离散、分裂、电学、磁学等材料优势被引入至诸多行业，在混凝土设计与配置中，其发展与运用已经较为迅速。基于浇筑过程中泥浆的降温、润滑与构件稳定等任务功能性，运用纳米颗粒粒径特殊、热传导性好等特点可以在相关混凝土配置液体系中得到充分的降滤失、页岩抑制、流型调节和井壁稳定的效果。但是由于材料特性与不稳定性等问题还需要继续进行相关的深入研究。

参考文献

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[2]李固华.纳米材料对混凝土耐久性的影响[D].西南交通大学,2006.

[3]刘红彬,李玲,纪宏飞,etal.SiO2等纳米材料对混凝土性能的影响[J].混凝土,2014(4):102-105.

[4]孙瑞平.纳米材料对混凝土性能的影响分析[J].建材世界,2015(1).