纳米材料对水泥基复合材料性能的影响研究(2)
1.1 高性能混凝土
高性能混凝土（HPC, High Performance Concrete）是一种具有高强和流动性的新型水泥基复合材料[1]。近些年，其已经成为混凝土材料发展的主要趋势，并被越来越广泛地应用于工程建设中。为使高性能混凝土获得更好的性能，混凝土领域引入了纳米材料。由于纳米颗粒材料尺寸小，具有表面效应，小尺寸效应、体积效应等特殊性质。因此在高性能混凝土中掺入纳米材料，这可以填充混凝土颗粒间的细小孔隙[2],最终使得混凝土基体更加致密，从而获得较好的力学性能。而且，有些纳米材料，例如纳米SiO2与纳米CaCO3[3,4]，对于水泥基体内部的水化反应和固化过程有十分显著的影响。
高性能混凝土是一种相较于普通混凝土具有更高强度、更大韧性的新型水泥基复合材料，采用更细（粒径小于1mm），活性更高的骨料，这使得基体成分分布更加均匀，最终减少了材料内部的大量缺陷[5]并且降低了材料的含水率，从而获得强度更高，耐久性更好的水泥基复合材料。
1.2 纳米材料
纳米材料又称超微颗粒材料，尺度在1-100nm之间，具有高的比表面积和较高的化学活性，由于纳米尺寸的材料具有异于宏观物质的表面效应、小尺寸效应、体积效应等特殊性质[6]。当宏观物质被细分为超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多独特的性质，即其在光学、热学、电磁学、力学及化学等方面的性质和大块固体物质相比时有显著差异。
1.3 纳米材料对水泥基复合材料性能的影响
纳米材料由于其尺寸小，不仅可以填充混凝土基体内部孔隙，增加混凝土基体密实度，而且某些纳米材料如纳米Al2O3还能与水泥浆体中的Ca(OH)2进一步发生反应生成凝胶，从而改善水泥浆体的微观结构，最终达到提升混凝土的强度、耐久性等性能的效果。
传统混凝土的制备是先将所有原料混合进行干拌，再加入自来水进行搅拌。由于纳米颗粒材料具有异于宏观物质的特性，干拌并不会使其分散均匀，反而在加水搅拌时容易发生团聚，以致降低混凝土基体的性能。Shakhmenko G等人[7] 的研究表明，将纳米材料配制成胶体溶液添加到基体浆料中搅拌比混入干粉中搅拌更有利于纳米材料的分散。
由于纳米材料具有较大的比表面积，吸水能力很强，这会使混凝土基体含水量增加，这反而降低了混凝土基体性能[8]。而高效减水剂具有大幅度降低混凝土基体用水量的作用，这可以比较显著的改善混凝土的工作性。谢德文的研究表明[9]，将纳米材料溶于高效减水剂中比以固体形态加入混合粉料中来制备的混凝土的效果好。
超声波分散也是使得纳米材料在水泥浆体中分散更加均匀的方法之一。张姣龙等人[10]的研究表明，在超声波分散作用下将适当掺量的碳纳米管加入混合干粉中对碳纳米管在水泥浆体中的分散性有比较显著的提高。
根据研究，养护制度对水泥基复合材料的影响也是比较大的。温度对混凝土基体中具有火山灰活性的集料影响较大。在高温条件下，这些集料能更容易发挥火山灰活性，这使得其与水化产物的反应更充分，从而更好地填充混凝土基体内部粒子间的孔隙，达到密实混凝土基体材料的效果，最终提升混凝土基体材料的性能。因此，与常温养护相比，经高温热水养护后，混凝土基体材料的强度有显著提高。本次试验中热水养护温度控制在95摄氏度，养护时间至少2天。
从目前的研究成果来看，适量掺入纳米颗粒材料对混凝土基体的强度，硬度，耐久性等性能的提升效果比较显著，应用前景也很可观，但是由于原料价格高昂，这限制了纳米材料在混凝土中的应用和推广。
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