[01249639]应用纳米材料提高路面混凝土耐久性的研究

1 项目简介

1.1项目所属科学技术领域 交通运输工程

1.2主要内容、特点

（1）筛选能够提高水泥石性能的纳米材料

①预选几种能够改善水泥石结构的纳米原材料（纳米氧化锌、纳米氧化铁、纳米氧化铝、纳米碳酸钙），加入到水泥石中，制备纳米复合水泥结构材料;

②对纳米复合水泥结构材料进行性能对比测试（抗渗、抗冻性），确定了适宜的纳米材料。

（2）纳米混凝土制备工艺

为充分发挥分散剂的作用，将纳米颗粒与分散剂以高速搅拌的方式拌合均匀，使分散剂吸附于纳米颗粒的表面，使其充分发挥巨大比表面的作用。

（3）纳米路面混凝土力学性能研究

使用确定的纳米材料，选择不同的纳米材料掺量，配制纳米水泥混凝土，进行抗折强度试验，与空白混凝土进行对比，确定了纳米材料的适宜用量范围。

（4）纳米路面混凝土抗硫酸盐性能研究

根据确定的纳米材料用量范围，制作纳米混凝土抗渗试件，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009，进行了纳米混凝土抗硫酸盐腐蚀试验，获得了纳米材料掺量与抗腐蚀性的规律。

（5）纳米路面混凝土抗渗性能研究 根据确定的纳米材料用量范围，制作纳米混凝土抗渗试件，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009，进行了纳米混凝土抗氯离子渗透试验，获得了纳米材料掺量与抗渗性的规律。

（6）纳米路面混凝土抗冻性能研究 根据确定的纳米材料用量范围，制作了纳米混凝土抗冻试件，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009，进行了纳米混凝土抗冻性试验，获得了纳米材料掺量与抗冻性的规律。

2 创造性成果和技术关键

2.1研究与实践取得的成果

（1） 确定了提高混凝土强度的纳米材料适宜掺量 掺入适量纳米氧化硅、α型纳米氧化铁和纳米碳酸钙可以提高混凝土的抗折和抗压强度，但随其掺量的增加，纳米混凝土的抗折和抗压强度有所降低。对混凝土强度而言，纳米氧化硅 、纳米氧化铁和纳米碳酸钙的最佳掺量都在1%左右。

（2） 确定了提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的纳米材料适宜掺量 掺加纳米氧化硅、纳米碳酸钙可以改善混凝土的耐硫酸盐腐蚀性能。

在掺入15%的粉煤灰基础上，再掺入纳米氧化硅和纳米碳酸钙，其耐蚀系数进一步提高，其提高的幅度随着纳米材料掺量的增加而增加。纳米SiO2混凝土提高最多，纳米氧化铁对混凝土抗硫酸盐腐蚀性能改善作用不大。研究结果表明，纳米 SiO2的掺量为3.0％时耐蚀系数为82.9%。

确定了提高混凝土抗渗性能的纳米材料适宜掺量。掺加纳米氧化硅、纳米碳酸钙可以提高混凝土抗氯离子渗透性能。纳米氧化硅抗氯离子渗透性能优于纳米碳酸钙，二者用量都在1%时效果最好。

确定了提高混凝土抗冻性能的纳米材料适宜掺量。掺入纳米氧化硅、纳米碳酸钙，混凝土的抗冻性有不同程度的提高。但纳米材料掺量超过1.5%时，抗冻性下降。研究表明，纳米氧化硅抗冻性能优于纳米碳酸钙，其纳米氧化硅用量在1%～1.5%抗冻性能最好。

2.2技术关键

以水泥、高效减水剂为基本材料，选择几种不同的纳米材料，发挥纳米粒子比表面积大和表面自由能大等特点，使其与水泥石中的水化产物产生键合，同时，以纳米材料为结点，键合成三维网络结构，提高水泥硬化浆体的物理力学性能和耐久性。

通过室内试验，对用纳米改善的水泥石性能进行测试，从中筛选出适宜的纳米材料。

利用筛选出来的纳米材料，在实验室以高速搅拌的方式将纳米材料分散于分散剂（外加剂）的水中，再制备纳米混凝土，进行纳米混凝土的性能测试，获得纳米材料水泥混凝土在温度变化、水损坏作用及硫酸盐侵蚀下的的性能变化。

2.3技术创新 将纳米材料加入到路面混凝土中，利用纳米粒子巨大的比表面和特殊的表面特性，使纳米材料在水泥复合结构中起到晶核的作用，钙矾石在纳米粉体表面形成，C-S-H凝胶在其表面键合，改变其结构形式，更重要的是在水泥硬化浆体原有网络结构的基础上又建立了一个新的网络，它以纳米矿粉为网络结点，键合更多纳米级的C-S-H凝胶，并键合成三维网络结构，提高路面混凝土的物理力学性能和耐久性。

3 推广应用情况 本研究成果在黑龙江省道哈肇公路K109+485-K115+485和省道伊嘉公路伊五段K16+000-K22+260等的实体工程中推广应用，经使用和观测，掺加纳米SiO2的水泥混凝土路面在抗冻耐久性、抗裂等方面优于普通混凝土，铺筑路面里程仅6公里左右，但降低养护费用达15万元/年，效益可观。

特别是在实体工程上的应用证明，在路面养护维修中，应用纳米混凝土节省了大量建设养护费用，效果显著，同时也减少了大、中修对交通的干扰，保证公路畅通和行车安全，具有重大的经济效益和社会效益。