纳米材料在市政工程建设方面的应用

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　　 摘要：纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。近年来，纳米技术不断用于建筑材料中，迎来了建筑材料的纳米新时代。本文介绍了纳米材料的新技术，探讨了纳米材料在市政道路桥梁建设和建筑装饰中的应用，
　　关键词：纳米材料道路桥梁建筑装饰
　　
　　新世纪建材的研究和发展以有利于环境、有利于人体健康为宗旨，于是，环保材料、保健材料（健康材料）、空气净化材料等应运而生。这类环保保健建材的制备，主要靠纳米技术来实现。
　　一、纳米材料的含义
　　随着科学研究的进一步发展，人们发现当物质达到纳米尺度以后，大约在1～100纳米这个范围空间。物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能的物质构成的材料，即为纳米材料。
　　纳米（nm）是长度单位，1纳米是10~9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，人的头发丝的直径一般为7000~8000nm，人体红细胞的直径一般为3000~5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1~100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。
　　二、纳米材料在市政道路桥梁建设中的应用
　　（一）纳米材料在混凝土中的应用
　　将纳米矿粉（如纳米二氧化硅、纳米硅粉、纳米碳酸钙等）作为外掺料引入到普通水泥混凝土中，可对普通混凝土的微观结构进行改性。纳米矿粉不但可以填充水泥的空隙，更重要的是由于纳米矿粉的火山灰活性，纳米矿粉会与水泥浆体中的碳酸氢钙进一步反应，改善混凝土中水泥浆体的结构和性能、水泥浆体与骨料的界面结构和性能，从而使混凝土的强度、韧性、抗渗性和耐久性能得以提高。
　　硅粉，又称硅灰，其主要成分二氧化硅，平均粒径100hm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。研究表明，硅粉的填充和火山灰作用，使其成为一种有效的附加胶凝材料，能增强混凝士的物理力学性能。用不同量硅粉替代混凝土中的水泥，并外掺高效减水剂，则含硅粉的混凝土的抗压强度高于对比的基准混凝土，28d强度提高5％~35％。硅灰和高效减水剂双掺可起到节约水泥、提高强度的双重效果。以硅灰代替混凝土中的部分水泥还能降低水化热而不降低强度，配制高强低热的高性能混凝土，可用于道路桥梁的大体积混凝土工程。
　　（二）纳米材料在道路桥梁工程中的防腐蚀作用
　　钢筋混凝土结构是道路桥梁建设的主体结构，但混凝土中钢筋腐蚀，影响了道路桥梁的耐久性。我国已有大量的钢筋混凝土结构，达不到设计寿命、早期破坏严重。通常是在胶料中加入炭黑等以提高材料的防水性能，但这种材料的耐腐蚀性以及耐侯性较差，易老化，纳米防水材料能够很好满足上述要求，纳米材料具有特殊的物理化学特性，其抗磨抗腐蚀性，能够有效地缓解道路桥梁建筑物的腐蚀。北京建筑科学研究院就成功的研制了具有较好耐老化性能的纳米防水卷材，该类防水卷材具有很好的强度、韧性、抗老化性以及光稳定性、热稳定性等。纳米防水卷材具有较为广泛的应用前景，除了应用于桥梁建设，还应用于建筑顶面、地下室、卫生间、水利堤坝以及防潜工程等。
　　另外，我国很多市政桥梁工程中还应用纳米涂料对桥梁进行粉刷，也能达到抗腐蚀的目的。同时，纳米无机涂料，可解决混凝土的表面腐蚀、老化及渗水等问题。这种涂料在混凝土或水泥浆表面形成玻璃态或离子化胶态，注入到微裂和孔隙之中与水泥反应形成新的硅酸盐复合体，不仅可以提高2~3倍的弯曲强度，又可起到防水作用。
　　三、纳米材料在建筑装饰中的应用
　　（一）纳米技术在建筑涂料中的应用
　　涂料是建筑物的内衣(内墙涂料)和外衣(外墙涂料)，国内传统的涂料普遍存在悬浮稳定性差、不耐老化、耐洗刷性差、光洁度不高等缺陷。纳米复合涂料就是将纳米粉体用于涂料中所得到的一类具有耐老化、抗辐射、剥离强度高或具有某些特殊功能的涂料。在建材方面的应用已经显示出了它的独特魅力。纳米涂料具有下述优越的性能：具有很好的伸缩性，能够弥盖墙体细小裂缝，具有对微裂缝的自修复作用；具有很好的防水性，抗异物粘附、沾污性能，抗碱、耐冲刷性；具有除臭、杀菌、防尘以及隔热保温性能；纳米涂料的色泽鲜艳柔和，手感柔和，漆膜平整，改善建筑的外观等。
　　（二）纳米科技在陶瓷中的应用
　　陶瓷不仅广泛应用于日常生活和工业生产中，而且在建筑行业也起着举足轻重的作用。由于传统陶瓷材料存在质地脆，韧性强度差的先天性不足。纳米陶瓷具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点，使它们具有像金属一样的柔韧性和可加工性，这使得使纳米陶瓷材料的应用前景更为广阔。
　　1.纳米材料在耐高温陶瓷中的应用
　　近年来国内外对纳米陶瓷的研究表明，在微米级基体中引人纳米分散相进行复合，可使材料的断裂强度、断裂韧性大大提高2至4 倍，使最高使用温度提高400％~600％，同时还可使材料的硬度、弹性模量、抗蠕变性和抗疲劳破坏性能提高。
　　2.多孔陶瓷材料
　　利用纳米技术生产的多孔陶瓷材料，可对工业废气进行过滤分离。多孔陶瓷具有很好的耐热、耐化学腐蚀等性能，具有寿命长、免维修的特点。光催化剂和cu离子催化剂的新型陶瓷在常温下可直接将空气中的有害气体分解，还可制成直接吸收并固定SO的陶瓷材料。将这些材料做成饰面瓷砖，可净化空气，提高环境质量。
　　（三）纳米保温材料
　　目前我国建筑主要用的保温材料为聚氨酯外墙保温材料，其缺点是保温效果不理想、安全隐患大。还有就是陶瓷或玻璃保温微珠涂料，虽然隔热效果不错。但因为它在实际应用中有需多层粉刷，出现墙体不平的现象，而且涂料内含的微珠直径较大，性价比较低。而纳米涂料涂料内含的微珠直径平均为2微米，而最小甚至可达纳米级，明显小于陶瓷微珠涂料的40~50微米微珠，涂抹到外墙上就会非常均匀，不但解决了消耗量大、性价比低的问题，而且只要在建筑外墙仅刷一层热顿纳米保温隔热涂料就可达到53.38%的节能效果。这种节能价值也和低碳建筑理念相契合，因此纳米材料有望在我国的建筑项目中大范围使用。世博会的零碳馆是其中最著名的代表。零碳馆在使用过该新型绿色纳米建筑材料后，与普通建筑相比，可节省81%的供热能耗以及45%的电力消耗。
　　玻璃作为透明材料被广泛应用于建筑中，因为它不仅是良好的透明材料，也是一种良好的热导性材料。为保证玻璃的采光透明和赋予玻璃相关的热学功能，在玻璃表面涂覆纳米透明隔热涂料形成均匀的透明涂膜。纳米透明隔热涂料结合了尖端的纳米粒子技术和微层涂覆技术，应用于建筑物的玻璃表面，在不改变玻璃透光性的情况下，能有效屏蔽红外热辐射和吸收紫外线，且兼顾了整体性和美观性。只要在玻璃表面涂覆形成20μm左右厚的透明整体涂膜，玻璃涂覆前后的室内温差就达6~8℃，尤其是在日照最烈、隔热需求最强的中午前后表现更为出色，很大程度地降低了空调制冷电能消耗，节能达35%左右，隔热效果显著。同时，纳米透明隔热涂料在保证可见光透过的同时，还能反射波长较长的室内暖气热辐射，有利于采暖效果和阻挡室内热能通过玻璃门窗传导外泄，减少冬季室内能量的损耗，以达到“冬暖夏凉”的节能效果。
　　四、结语
　　综上所述，纳米技术在建筑材料方面的应用前景非常广阔，研究开发工作刚刚起步，可以预料，纳米技术不仅会推动建材新产品的开发，还将为改善人们的生活环境，提高生活质量作出不可估量的贡献，纳米技术将为二十一世纪建筑材料的发展开拓新的方向。
　　
　　
　　参考文献：
　　1. 刘吉平、 张艾飞：《建筑材料与纳米技术》，化学工业出版社，2007年4月第1版。
　　2. 张志强、王玉平、何登良：《纳米技术在建筑材料领域的应用》，《材料导报》，2005年第F11期。
　　3. 田莹、曲涛、刘玉文：《纳米材料在建筑材料中的应用前景概述》，《低温建筑技术》，2006年第2期。
　　
　　

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