纳米科技与现代水泥混凝土摘要.ppt

纳米科技与现代水泥混凝土材料 王栋民 中国矿业大学（北京） 混凝土与环境材料研究所 目录 1、商品混凝土－高性能混凝土 现代混凝土 2、纳米水泥及纳米水泥水化物 3、纳米火山灰矿物外加剂（掺和料） 4、纳米惰性掺和料（石灰石粉） 1、现代混凝土 商品混凝土 泵送混凝土 预拌混凝土 高性能混凝土 现代混凝土 数字混凝土 千年混凝土 现代混凝土的6组分：水泥、砂、石、水、矿物外加剂、 化学外加剂 2、纳米水泥及纳米水泥水化物 摘要 当前，纳米科技的概念几乎应用于所有生产材料的工业部门。然而，这一概念在胶凝材料上的应用还处于初级阶段。由水泥水化相、掺和料和外加剂组成的一个复杂的纳米结构的混凝土，是纳米技术操纵和控制性能的很好的对象。针对胶凝材料专门领域的纳米科技作一简要综述。对纳米尺度的水泥水化反应进展、水化硅酸钙（C-S-H）的形成、纳米尺寸矿物掺和料的作用，如：硅灰和碳纳米管，以及在水泥水化过程中化学外加剂的作用进行探讨。 纳米世界是介于原子、量子现象的尺度与块体材料尺度之间的材料。在纳米范围内，量子化学和经典物理定律都不适用。在金属、半导体或绝缘体材料中，价电子的离域是普遍存在于强化学键作用之中，并且离域程度随材料的尺度而改变，这种作用和结构的变化，会导致与尺度相关的新的化学和物理特性的产生。 当材料的尺度达到纳米量级，许多特性和潜在有用现象和性能将会出现。其中包括一些特性，如：动量、能量和质量的传输将从块体的连续传输延伸到纳米材料的分子传输过程。同时，纳米材料基本的电子学、磁学、光学、化学和生物过程也与块体材料有所不同。 纳米材料的化学和物理性质可与具有相同化学组成的原子-分子量级或块体材料有很大的差别。纳米结构的特征、热力学、响应、动力学和化学的特点是构成纳米科学者一新兴领域的实验和概念的基础。合适的控制纳米性能和纳米结构响应可能导致新设备和新技术的问世。 图1、一只手掌（10厘米）以每一步缩小100倍得到的宏观、微观、纳米尺度的图像，直至构成DNA结构的原子 纳米尺度 单词nano(=10-9m)取自希腊语，意思是‘矮子’，表示非常小的意思。 1/1000m =10-3 m =1mm(毫米)，1/1000mm =10-6m=1μm(微米) 1/1000μm=10-9m=1nm(纳米) 十亿分之一米是一纳米。一纳米大约是六个碳原子的宽度。一个氢原子大小是0.1纳米。纳米尺度可以由图1形象的表示。 表1：一些典型纳米材料的尺寸：纳米结构和它们的集合 纳米技术 纳米技术定义是从0.1到100纳米（nm或10-9m）的纳米尺度范围对材料进行控制和操作的技术。纳米技术涉及一系列的在原子尺度上设计和制作材料的新方法。该方法已经创造出许多新的产品和工艺，例如芯片的试验、表面涂层、纳米结构材料、纳米器械和工具及传感器。纳米技术的应用就是允许更小、更便宜、更轻和更快、功能更强大的装置出现，而且消耗更少的原材料和能源。纳米技术的开发在一些领域迅速取得进展并立即得到了应用，例如微电子工业。 纳米科技已经应用于许多领域。一些重要领域包括：纳米药物、装置（碳纳米管、原子机器人等）、纳米电子学、催化剂、激光器、记忆存储器、传感器/生物传感器、基因工程/基因治疗、燃料电池/太阳能电池、污染控制、军事应用、建筑业等。 水泥混凝土材料中的纳米技术 纳米技术在建筑材料中的应用还处于初级阶段 。 混凝土是具有水泥水化相的部分纳米结构、掺和料和集料组成的一个复杂体系，是纳米技术对性能控制和操作的极好的对象。 图3：纳米尺度上观察水泥水化 C-S-H的结构 图4：a）水灰比0.4的C3S泥浆在20℃硬化8年中C-S-H的外部产物和内部产物的TEM照片。白色箭头所指为内部产物和外部产物的边界，内部产物在照片的左上方；b）一个区域的内部产物C-S-H的放大图片；c）外部产物C-S-H的小纤维的放大图片 （Richardson） 图5：水化水泥浆体表面的AFM照片 图6：C-S-H的XRD图。a）CaO和SiO2混合的稀释悬浊液（水灰比w/c=20）的XRD图;b) 细C3S和SiO2混合泥浆（水灰比w/c=1.5）水化的XRD图 图7：硅灰的SEM图 图8：粉煤灰的SEM和AFM的微观照片 碳纳米管（CNT） 碳纳米管（CNT）可以被看作是石墨改变的形式。石墨是由多层碳原子以六边形结合方式形成的多层片状结构所组成。层与层间是弱键，而层内碳原子间是强化学键相结合。单壁纳米管（SWNT），好像是单层的薄片卷曲而成。而多壁纳米管（MWNT），像是多层卷在一起。图9a是单壁纳米管示意图。图9b是多壁纳米管示意图。 图9：a）单壁碳纳米管（SWNT）示意图； b