水泥领域中纳米技术的应用研究现状

　　纳米科学技术自上世纪80年代以后得到了飞快发展，人类可以通过控制Mesoscopic结构，在介观体系内创造新的功能材料，从而使材料科学进入了一个新时代。纳米技术主要有两点应用研究内容，其一是以纳米尺度观点研究材料领域中的“微观结构”，控制和设计分子与原子等纳米级组织，创造新物质；其二是利用纳米功能材料微粉作为混合剂、催化剂等与其他传统材料混合或复合，成为具有新性能的结构材料或改善了传统材料特性。

 

　　一纳米是一米的十亿分之一，即1nm＝10^-9m，纳米颗粒属于学术定义上的“超细颗粒”，由纳米级颗粒组成的材料便是纳米材料。纳米技术和超细颗粒材料的发展，正日益受到世界各国科技工作者的关注，使人类科技发展进入了充满希望的新天地。

 

　　超细颗粒材料的制备，在技术上有一定的难度，并在产品规模和成本上都影响着工业部门的采用。此外纳米颗粒一旦产生就很容易团聚成二次颗粒，所以实际上很难得到真正的纳米颗粒，也很难贮存和运输，又由于超细颗粒具有很大的表面积，在大气中极易急剧氧化而生热，所以在处理纳米材料时还要考虑慢氧化措施。尽管有这么多难题，但人类从来就没

有惧怕过，技术总是在向前发展着。

 

　　水泥颗粒范围约在10^-1～100μm之间，属于亚微米级以上颗粒范畴，即便是“超细水泥”，指的也是广义上的“超细”，即30μm以下颗粒占有较大比例的水泥。纳米技术和纳米材料能否应用于水泥领域？能否提高水泥质量和起到“节能减排”的作用？这些正是人们考虑和研究的问题。本文梗概介绍一下国内外的研究现状。

 

　　1 利用纳米技术提高水泥机械运转效率

　　水泥工厂使用了破碎、筛分、输送（给料）、贮存、粉磨、选粉（分级）、收尘等几乎所有粉体物料处理的机械设备，此外还有大量的风机、泵等机械。这些设备与机械的工作环境相当恶劣，如酷热（严寒）、粉尘及腐蚀等，处理的物料有许多硬度大、不易破碎和粉磨的矿石物料，对机械磨损相当严重。然而水泥生产是连续的过程，要求机械设备能长期连续安全运转，否则某个部分的事故造成停产，将给水泥企业造成巨大经济损失，甚至工人的安全也要受到威胁。因此水泥厂的机械设备最基本的要求是耐磨损，可连续稳定运转，我国与国外有关研究人员采用纳米技术来改进机械运转水平的研究，有如下内容：

 

　　●对纯铁表面进行纳米化处理，实现常规气体氮化技术，这就解决了以往金属表面进行氮化处理提高耐磨、耐蚀性时不易解决的难题，这种提高金属表面耐磨性的方法，可以使水泥厂内使用的风机叶片、机械轴承、输送管道、磨机内衬板、研磨介质等部件提高工作性能；

 

　　●防止设备磨损破坏，加强机械运转部位的润滑工作相当重要，将纳米铜粉或纳米铜合金粉加入润滑油中，可使润滑性提高10倍以上，能有效减少机械部件磨损，提高设备运转率，延长设备使用寿命；

 

　　●使用纳米润滑油添加剂，在摩擦磨损过程中产生的纳米金属粉和氧化物粉将会产生自修复作用，解决机械磨损的自适应和自修复难题，纳米润滑油添加剂可用MoS₂、PbS、WS₂等纳米材料。还有一种“硬修复层”的自修复作用，即纳米颗粒在一定压力、温度、摩擦力作用下，在“摩擦对偶”新生面的化学活性、催化作用及负电子还原作用下，还原为微晶单质，再加之摩擦产生的局部高温，微晶单质形成具有磨损补偿作用的熔融合金膜，可以使用CuO、PbO、Ag₂O、CuS、PbS、Ag₂S等纳米材料。

 

　　2 利用纳米技术提高燃烧效率

　　现在国内外水泥熟料热耗最先进指标已达到2700～2800kJ/kg，距理论热耗2200kJ/kg已很接近，因此水泥科技工作者又在努力开发低钙水泥或生态水泥等。如此说来在燃烧过程中采用纳米技术、提高燃烧效率、降低水泥熟料热耗是水泥工业节能研究领域中重要的一个方面。

 

　　众所周知，我们若将水泥原料经过超细粉磨等煅烧前处理，使其获得最佳的机械力活性化效果，可以使之易于烧结，在高温下煅烧时，烧结时间可能缩短或使烧成温度从1480℃下降低。正在研究提高燃烧效率的纳米技术，是将纳米微粒燃烧催化剂添加到燃料中去，利用纳米微粒高比表面积与高活性的催化作用，提高燃烧效率，并且还能减少CO2的排放量。

Fe₂O₃超细颗粒可将CO₂分解成C和H₂O，这对于减少温室气体排放量来说有着重要的意义。

 

　　3 水泥基材料的纳米技术应用基础研究

　　日本水泥研究人员发现水泥基材料中约有70％纳米级的C－S－H凝胶，从材料科学与颗粒设计观点出发，有可能用超细纳米颗粒和纳米技术改造传统水泥产业，已在水泥水化、混凝土结构、功能混凝土等方面取得了一些应用基础研究成果。在水泥混凝土系材料中，结构组织分为三级，即100μm以上的组织尺度、10nm～100μm的颗粒尺度和10nm以下的原子尺度。支配水泥、混凝土性能的尺度范围在10nm～100μm，水泥水化物中C－S－H（硅酸钙水化物）存在着直径约1nm的空隙，另外，钙离子等硅酸盐离子与近似于原子大小（0.1nm）的水分子反应，能生成几十纳米的C－S－H水化物。在加水搅拌混凝土时，除去砂、骨料外，水泥净浆中含有固态水化物、未水化的水泥颗粒以及空隙等，水泥水化反应的颗粒大小也近似原子大小，虽然水化过程的混凝土颗粒范围在1nm～10000nm，但水化产物仍属于纳米级范畴。

 

　　●在水泥粉体的密充填方面，当混凝土拌合时加入一种称为硅土的混合材（Silila fame），这是一种纳米级粉体，平均粒径在100nm以下，为球状超细粉，在加水拌合时，这种混合材与水泥颗粒形成间隙梯度，从而促进了粉体密充填，当硅土混合材在搅拌水中分散时还扩大了水相体积，减少了需水量，使之成为低水灰比混凝土。另外，采用石灰石粉充填的水泥，也有利于水泥密充填，因为石灰石的易磨性比水泥熟料好，因此在混合粉磨水泥时，石灰石易形成超细粉，细度在2μm以下。掺加石灰石粉后，由于C－S－H凝胶的发展，CaCO3起着晶核的作用，硅酸盐离子可以从C₃S边界移出，并在CaCO₃颗粒上形成C－S－H凝胶相，因而提高了水泥硬化浆体的性能。

 

　　●在混凝土中水泥颗粒的分散方面，由于减水剂使水泥颗粒表面产生负电荷，因而使混凝土中带有负电荷的水泥颗粒之间因同性相斥而分离，当颗粒间距离大于1nm，表面电位在负20mV以上时，可以形成稳定的分散，因此1nm左右的距离是决定颗粒分散与团聚的关键，这是研究萘系混凝土减水剂要考虑的问题。

 

　　还有一种聚碳酸系减水剂，能显著降低水灰比增加混凝土的强度。这种减水剂的结构上有主链和侧链，主链丙烯（长度20nm～100nm）上结合着侧链聚乙烯乙二醇（长度5nm～20nm），成为栉状构造。由于侧链的立体屏蔽作用，阻止了水泥颗粒间的团聚，因此改变聚碳酸减水剂的主链与侧链的长度就可改变水泥颗粒的分散效果，增加混凝土的流动性。

 

　　●在控制水泥硬化体空隙方面，由于水泥硬化体的特性是由内部空隙决定的，所以混凝土的强度与空隙构造有着非常密切的关系。毛细管空隙量占混凝土硬化体中全部空隙量的2/3左右，胶凝空隙的直径在2nm左右，相当于C－S－H层间距离，凝胶空隙约占毛细管空隙量的20%。50nm以上的毛细管空隙量越多，则离子透过性、透气透水性越好，但混凝土的强度就要降低，利用纳米矿粉填充水泥硬化体的空隙，即可提高混凝土的流动性，还可改善水泥硬化基体与骨料的界面结构，从而使混凝土的强度、抗渗性与耐久性提高。在掺硅粉的水泥硬化体中，由于硅粉可以堵塞硬化体中空隙，并与水泥水化时产生的Ca(OH)₂发生化学反应，生成C－S－H凝胶，可提高混凝土的抗压强度。

 

　　4 对水泥基材料的纳米化改性

　　现在我国、日本和美国利用纳米技术和纳米材料对混凝土进行改性都有一些研究成果。

 

　　利用纳米材料的特性提高混凝土的弹性和韧性，现在已取得很大进展。例如在混凝土中加入具有柔性功能的且与水泥有良好亲和性的纳米材料，就可能改善混凝土的韧性。

 

　　另外在多孔混凝土中使用浸渍涂覆等方法，通过Ca、Mg、Al等离子反应使混凝土内部和表面形成玻璃态，形成以硅酸盐为主要成分的纳米胶态材料，则混凝土强度可提高2倍～10倍，成为高强度混凝土。利用纳米技术对混凝土进行改性，出现了几种智能型混凝土，如“安全警告”、“自我诊断”、“自我调节”和“自我修复”混凝土等。利用纳米材料的量子效应和光催化效应，可以使混凝土具有吸收电磁波、净化环境空气、分解有毒有害物质、以及净化污水等多种功能。如吸收电磁波的混凝土、空气净化混凝土、抗菌防霉混凝土、净水功能混凝土等。