纳米材料对喷射混凝土性能影响范文

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摘要:纳米材料由于具有特殊性能而被誉为21世纪的新型材料，其应用领域广泛，在高耐久性混凝土和高性能混凝土中得到发展，在新时代的发展中，将纳米材料作为一种掺加料引入到混凝土的拌合过程中从而改善混凝土的各方面性能是近年来的研究热点。本文简要描述纳米材料的特性，主要讨论纳米材料对喷射混凝土性能的影响。

关键词:纳米材料；特性；喷射混凝土性能；影响

纳米材料是一种高分子气化微粒，萃取纳米分子纳米级微粉，具有高活性、高减水等特点，在喷射混凝土中掺入纳米材料，能显著改善喷射混凝土混凝土的和易性，大幅度提高混凝土的强度，增加喷射混凝土喷射厚度，减少回弹率。

1纳米材料的特性［1］

(1)小尺寸效应。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于纳米材料颗粒极小，所以比表面积很大，相比大尺寸颗粒，纳米颗粒在很多方面都发生了变化。

(2)表面效应。随着颗粒粒径减小，其表边原子比例增大，从而导致性质上的变化，这就是表面效应。其实表面效应的实质是小尺寸效应，球体的比表面积与直径成反比，所以直径越小，比表面积就越大，导致表面原子的所占比例显著增大。而表面原子配位数不足，表面自由能很高，很容易结合其它原子从而稳定下来，所以化学活性很高。

(3)量子尺寸效应。纳米材料能级之间的间距随着颗粒尺寸的减小而增大。当能级间距大于热能、光子能量、静电能以及磁能等的平均能级间距时，就会出现一系列与块体材料截然不同的反常特性，这种效应称之为量子尺寸效应。

(4)体积效应。由于纳米粒子体积很小，所以其包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小。因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为小尺寸效应。

2纳米材料对喷射混凝土性能影响

2．1改善喷射混凝土和易性，减少泌水，提高抗渗性

喷射混凝土拌合物的和易性是由水灰比、水泥浆以及骨料的配比、级配、形状、空隙来决定的［2］。水泥浆的数量和稠度对混凝土和易性影响很大，当水泥浆的数量较少或者干稠时，水泥浆量不能填满骨料空隙或不足以包裹骨料表面，混凝土拌合物的流动性小，而且拌合物会发生崩塌现象，粘聚性差，水泥浆数量过多或者过稀时，会出现严重流浆和泌水现象，使拌合物的粘聚性变差。因此，水泥浆的数量不能太少也不能太多，应以满足流动性要求为度。在喷射混凝土中掺纳米材料时，因其独有的特性对喷射混凝土微观结构进行改性，因纳米材料具有高减水性，在保证坍落度一样的情况下，可以减少单位用水量，降低水胶比。另外因纳米材料颗粒极小，可以填充水泥空隙，增加了水泥浆的体积。足量的灰浆填充混凝土孔隙空间，覆盖和润滑骨料颗粒，减少拌合物的内摩擦，增加拌合物的粘聚力、流动性和可塑性，改善混凝土的和易性。纳米材料还可以阻塞砂浆的泌水通道，降低喷射混凝土泌水性和提高的抗渗性。

2．2大幅度提高喷射混凝土强度。

王龙，罗伟［3］研究表明，水泥基材料中未掺纳米材料时，发现在其充分水化硬化的时候，水泥硬化浆体和骨料界面处富集了大量具有取向性的Ca(OH)2晶体。然而，在掺加材料后，发现硬化浆体和骨料界面处的Ca(OH)2晶体大幅度减少，这是因为纳米材料具有火山灰活性，构能与水化产物Ca(OH)2迅速发生二次水化反应，形成网络骨架状致密、均匀的显微结，消耗强度较低的Ca(OH)2晶体，生成强度较高的水化硅酸钙凝胶，进而提高水泥硬化浆体的强度。另一方面，纳米材料微细颗粒填充到水泥颗粒之间的空隙中，使结构更加密实，有利于提高混凝土的强度。在喷射混凝土中加入纳米材料后，喷射混凝土结构发生变化，抗压、抗拉、黏结、抗折强度比不掺纳米材料喷射混凝土有大幅度提高。

2.3增加喷射混凝土一次喷射厚度。

喷射混凝土在在施工过程中，喷射混凝土喷射至基岩面后，初期粘结强度较低，当达到一定喷层厚度后会由于喷射混凝土的自重因素发生掉块的现象，造成喷射混凝土的浪费。但当一次喷层厚度达不到设计要求时，岩层会由于应力因素发生掉块现象，起不到支护作用。李凤玉，娄鑫［4］对掺入纳米材料喷射混凝土进行试验，试验结果显示，喷射过程一次完成，并且在喷射过程中未发生掉块现象，喷射厚度最大可达到31.2cm，平均厚度达到23.5cm。而普通喷射混凝土一次喷射厚度一般只能达到5－10cm，要达到设计喷射厚度，达到支护效果，一般需要喷护2－3次。由此可见，掺入纳米材料后，喷射混凝土一次喷射厚度大幅度增加，喷射作业可一次完成，并且不发生掉块，达到了快速支护的效果。2．4减少喷射混凝土回弹率。喷射混凝土在喷射过程中由于冲击力的作用，部分喷射料会反弹至地面，喷射时的回弹率的大小是衡量喷射混凝土配合比参数优化程度的一个重要参数。目前喷射混凝土在隧道施工中广泛使用，但施工中回弹率普遍较大，不但原材料浪费大，而且过大的回弹率使施工现场空气中粉尘含量过高，严重威胁到施工人员的健康和安全。

3结语

(1)纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和体积效应的特性。

(2)在喷射混凝土中掺入纳米材料可改善以下几方面性能:①改善喷射混凝土和易性，减少泌水，提高抗渗性;②大幅度提高喷射混凝土强度;③增加喷射混凝土的一次喷射厚度，达到快速支护的效果;④减少喷射混凝土回弹率。

参考文献

［1］王景贤，王立久．纳米材料在混凝土中的应用研究进展［J］．混凝土，2004(05)．

［2］李德民，李翔．优质粉煤灰在钢纤维喷射混凝土中的应用效果［J］．山西建筑，2015(24)．

［3］王龙，罗伟．纳米材料在水泥基材料中的应用研究［J］．中国水运，2014(04)．

［4］李凤玉，娄鑫．无机纳米材料在喷射混凝土中的应用研究［J］．低碳世界，2016(06).

作者：李德福 单位：葛洲坝集团试验检测有限公司