纳米材料在建筑工程中的应用作者：陈力攀 蒙志勇来源：《企业科技与发展》2021年第11期 【中图分类号】TB383;TQ630.1【文献标识码】A【文章编号】1674-0688（2021）11-0099-03
0 引言
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸（1～100 nm）或由它们作为基本单元构成的材料，包括纳米颗粒、纳米纤维、纳米涂层、纳米复合材料等，纳米材料具有與常规材料不同的物理、化学性质，在环保节能等领域得到了较好的应用。目前，纳米材料的研究在科学界如火如荼，但是纳米材料在工业界的应用却受到价格高等缺点的限制。 1 纳米材料在混凝土中的应用
混凝土是建筑工程重要的材料之一，需求量非常大，各种工程项目对混凝土强度、耐久性、抗渗透性等的功能要求也越来越高，混凝土工程当前面临的主要问题是混凝土原材料和混凝土工程不断提出的新要求与混凝土现有的添加剂和应用技术不够完善之间的矛盾。传统的混凝土的质量和性能已经远远满足不了当今工程建设的需求，利用高新技术改进传统混凝土的性能已经成为建筑界和科研界的一个重要研究方向。根据相关研究表明：在混凝土中加入纳米材料，可以明显地提高混凝土的性能。水泥硬化浆体是非均质的多相体系，由水化硅酸钙凝胶等各种水化产物、残存的熟料和较多的毛细微孔组成，水化硅酸钙凝胶占水泥石体积的70%以上，其粒径属于纳米尺度，因此水泥硬化浆体是一种以水化硅酸钙凝胶为主体的纳米复合材料，水泥硬化浆体的微观结构十分粗糙。纳米材料既能够填充水泥浆体的空隙，又能与水泥浆体中的氢氧化钙发生化学反应，生成水化硅酸钙凝胶，从而提高混凝土的强度和耐久性[1]。 1.1 纳米二氧化硅
纳米二氧化硅具有很强的火山灰活性，能够明显提高混凝土的各项性能。相关研究结果表明：当水灰比为0.5时，掺入1.0%的纳米二氧化硅进入混凝土，混凝土的抗压和抗折
强度都能得到较大程度的提高，提高幅度在10%以上;混凝土的抗冻性能和抗盐腐蚀性能达到最佳状态;将纳米二氧化硅掺入混凝土，能够大大降低水泥拌和物的流动性，提高混凝土的早期水化速度，提高混凝土的各种强度和抗渗透性能。
1.2 纳米碳酸钙
混凝土泵送剂
纳米碳酸钙是一种新型超细固体粉末材料，其粒度为0.01～0.1μm。纳米碳酸钙粒子具有超细化的特点，其晶体结构和表面电子结构发生变化就产生了普通碳酸钙不具备的性能。在混凝土中掺入纳米碳酸钙可以缩短混凝土的凝结时间，提高混凝土的强度。相关研究发现：纳米碳酸钙可以与混凝土中残存的氢氧化钙发生化学反应生成新的微晶体，这种微晶体具有较高的强度，能够提高混凝土三相体界面区的黏结性能，显著提高混凝土的各种力学指标，并且纳米碳酸钙的价格相对较低，与纳米二氧化硅相比具有较大的经济优势。
1.3 纳米氧化铝
纳米氧化铝是一种应用较广泛的纳米材料，与其他纳米材料相比，具有独特的性能：
高熔点、高强度、高化学稳定性、高硬度、耐磨性好，并且价格相对较低。研究标明：掺入纳米氧化铝可以提高混凝土的各种性能和指标，特别是对于提高混凝土早期强度的效果最明显。
1.4 碳纳米管
碳纳米管是一种应用前景广阔的纳米材料，碳纳米管具有良好的物理、化学、电学和热学性能，科研人员对碳纳米管水泥浆材料进行了多次试验发现：掺入碳纳米管后，极大地优化了混凝土的性能，当碳纳米管掺入量为凝胶材料的0.02%时，水泥砂浆复合材料的性能可达到最佳状态。一些研究还发现掺入碳纳米管后，水泥基复合材料具有很高的热稳定性。
鼠标垫制作 1.5 纳米偏高岭土
电磁屏蔽导电胶
纳米偏高岭土是指高岭土原矿用破碎机进行初步粉碎以后，采用冲击磨进行一段超细粉碎，然后经过煅烧、气流超细粉碎等工艺精制而成粉末高岭土。研究表明：掺入纳米偏高岭土能够提高混凝土的后期强度，因为纳米偏高岭土中的二氧化硅、氧化铝等成分可以
与混凝土中残存的氢氧化钙发生化学反应，生成更多的水化硅酸钙凝胶，能改善混凝土多相体之间的黏结效果，还可以填充混凝土多相体中的微小空隙，改善砂浆的接触面，从而提升混凝土的各种强度指标。
2 纳米材料在钢材中的应用
将纳米粒子掺入钢水中，能够加快钢水的结晶过程，并且纳米粒子具有钉扎作用，能够防止金属晶粒增大，细化金属晶粒，从而改善铸态组织。传统钢材加工工艺中，提高钢的抗拉强度一般会降低钢材塑性，而掺入纳米粒子既可以提高钢材的抗拉强度，又可以改善钢材塑性。相关研究表明：利用纳米粒子可以研发出新型纳米钢，新型纳米钢的抗拉强度高达780 MPa，同时具有很好的塑形变形能力。还有研究表明：普通碳素钢中掺入1.5%的纳米颗粒，可以将其屈服强度提高6倍;在钢结构的钢材中掺入某些纳米颗粒，可以提高钢材的抗疲劳强度;将钒、钼纳米颗粒掺入钢材中，能够减少钢材断裂问题，降低氢脆的影响;掺入镁、钙纳米颗粒，能够提高钢材焊接性能;纳米材料与钢材的结合可以极大地提高钢材的性能[2]。
3 纳米材料在建筑涂料中的应用
传统的建筑涂料通常存在耐洗刷性差、悬浮稳定性差及光洁度不够等缺陷，而纳米建筑涂料可以较好地解决这个问题，纳米建筑涂料具有非常优越的性能，即良好的伸缩性，对墙体微裂缝具备自修复作用;具有良好的防水性能、抗沾污性能、抗冲刷性能及隔热保温性能，部分纳米建筑涂料具有杀菌、除臭、防尘等功能。纳米建筑涂料的彩鲜艳柔和，漆膜平整，能够美化和改善建筑的外观[3]。
3.1 光催化纳米涂料
立式升降机 科学家常利用纳米二氧化钛的光催化特性进行历史建筑的保护工作，目前已经开发出纳米氢氧化钙/二氧化钛光催化建筑涂层，利用纳米二氧化钛的光催化特性能使建筑涂层中绝大部分氢氧化钙与空气中的二氧化硫反应生成硫酸钙，阻止空气中二氧化硫侵蚀建筑材料，能够有效保护历史建筑。利用纳米二氧化钛的光催化特性还可以杀菌，二氧化钛光催化剂在光照条件下会产生超氧自由基和羟基自由基，这两个自由基一个具有强氧化性，另一个具有强还原性，自由基通过各种方式与细菌的细胞结合，能够抑制、杀灭建筑环境中的各种细菌。与传统抗菌剂相比，二氧化钛的光催化杀菌具有安全、持久、不易产生耐药性等优点。
3.2 高力学性能纳米涂料
填料的性质在很大程度上决定了涂料的性能，纳米填料粒子掺入涂料后，纳米材料具有的小尺寸效应和表面效应，极大地增加了纳米粒子与涂料的接触面积，结合力极强，增加了建筑涂料的硬度、耐磨损性、抗冲击性。相关研究表明：建筑涂料中掺入纳米二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、氧化锌等粒子后，可以明显增强涂层的防刮擦与耐磨性能。
3.3 透明隔热纳米涂料
太阳辐射的各种光线中，近红外区光线能量占太阳辐射总能量的50%，可见光区光线能量占太阳辐射总能量的45%，紫外线区光线能量占太阳辐射的5%。因此，若想减少太阳光辐射带来的能量，主要依靠阻隔近红外区和可见光区的光线。如果能够选择性地对红外光进行阻隔，就可以在不影响可见光透射率的情况下获得良好的隔热效果。纳米金属氧化物可以选择性地对太阳光线进行阻隔，是一种优良的纳米玻璃涂料填料。纳米二氧化锡锑等材料对近红外区光线具有非常好的阻隔性，同时不影响可见光透射率，利用纳米二氧化锡锑等材料能够制备出纳米玻璃隔热涂料，对建筑环保节能具有重大意义。
3.4 钢结构纳米防火涂料
纳米二氧化硅具有尺寸小、比表面积大的特点，把纳米二氧化硅掺入钢结构涂料中，可以增大涂料的反应面积，提高发泡层的强度，进而增强钢结构的防火性能。相关研究表明，防火涂料受热后膨胀形成炭质层，纳米二氧化硅能够极大地增强炭质层的强度，同时纳米二氧化硅具有大量的缺陷态，不但具备储能的作用，并且与基体中的分子结合后还具有较强的范德华力作用，燃烧形成的炭质层与基体结合较好，不容易脱落，从而延长耐火极限。纳米二氧化硅对对紫外线具有反射能力，能够提高防火涂料的抗老化性能，保证钢结构涂料防火性能的稳定性。
4 纳米材料在建筑保温中的应用
纳米气凝胶是一种非常好的保温材料，例如纳米气凝胶绝热毡已经普遍应用于建筑保温领域。气凝胶是世界上密度较小的固体物质之一，硅气凝胶是常见的气凝胶，因为该材料的密度很低，其密度最小可以达到0.16 mg/cm3，比空气的密度还低，因此被称为“冻结的烟”。气凝胶是一种具备纳米多孔结构的新型建筑保温材料，一般气凝胶中80%以上的体积充满空气，因此气凝胶具有极好的保温隔热效果。与传统建筑保温材料对比，使用气凝胶纳米材料可为施工单位带来非常好的经济效益：气凝胶纳米材料的隔热性能是传统建筑
保温材料的3～5倍，节约能源效果则提高50%以上;具有很强的抗老化能力，气凝胶纳米材料的使用寿命是传统建筑保温材料的8～10倍;气凝胶纳米材料的使用厚度仅为传统建筑保温材料的1/2～1/5，能大大节约空间，同时施工过程更方便，还能节省施工辅助材料;目前，气凝胶纳米产品以气凝胶绝热毡为主，纳米微孔绝热材料以板为辅，气凝胶保温隔热材料一般用于650 ℃以下，而纳米微孔绝热材料可用在700～1 200 ℃的温度环境[4]。
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5 纳米黏土材料在建筑工程中的应用
根据纳米黏土的颗粒形态和化学成分组成的不同，纳米黏土可以分为纳米高岭石、纳米蒙脱石及纳米膨润土等，把纳米黏土掺入沥青、PPR等材料中，形成的纳米复合材料具有优良的性能，纳米黏土材料的价格相对低廉，在建筑工程中具有较好的应用前景[5]。沥青是一种具有高黏度的有机液体，具有较好的防水性，广泛用于建筑屋面、楼面、地下室的防水。把纳米材料掺入沥青中可以减少沥青低温开裂和高温下的软化问题，提高沥青的抗疲劳性能。相关研究表明：将纳米钠-蒙脱土纳米材料掺入沥青黏合剂中，可以形成性能优良的纳米复合材料，提高沥青的黏度与软化点，并使沥青具有更低的相位角和更高的复模量，同时提高沥青的抗老化性能。PPR管是一种广泛应用于给排水管道系统的新型材料，
根据相关研究：掺入纳米黏土的PPR材料的抗压强度可以提高120%，抗剪切强度可以提高60%，抗拉强度也有所提高。
ct二次过电压保护器 6 結论
随着纳米科技的发展，纳米材料在混凝土、钢材、建筑涂料、建筑保温、建筑防水等领域都得到广泛应用，目前纳米材料的发展还处于初级阶段，在建筑工程领域中的大规模运用还需要一段时间。从已有的研究来看，建筑材料和纳米材料的结合可以提升材料多方面的性能，比如建筑材料的强度、抵抗断裂能力等，因此具有很好的应用潜力和市场前景。
（1）纳米材料与建筑材料结合可以极大地提高混凝土、钢材、建筑涂料的性能，在建筑结构、建筑保温、隔热、防水领域都有非常好的应用效果，因此纳米材料在建筑工程中具有非常广阔的应用前景。
（2）纳米材料不能在建筑工程中大规模使用的主要的阻碍是价格问题，目前纳米材料非常昂贵，还不能够在建筑工程中大规模使用，解决这个难题需要从两个方面努力：一
方面需要研发各种纳米材料的制造工艺，不断降低纳米材料的生产成本、提高纳米材料性价比;另一方面需要加强对纳米材料的试验研究，针对纳米材料引入量对提高各种性能指标进行量化研究，提高纳米材料的利用效率。
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