水泥領域中納米技術的應用研究現(xiàn)狀
2010-06-10 00:00
納米科學技術自上世紀80年代以后得到了飛快發(fā)展，人類可以通過控制Mesoscopic結構，在介觀體系內創(chuàng)造新的功能材料，從而使材料科學進入了一個新時代。納米技術主要有兩點應用研究內容，其一是以納米尺度觀點研究材料領域中的“微觀結構”，控制和設計分子與原子等納米級組織，創(chuàng)造新物質；其二是利用納米功能材料微粉作為混合劑、催化劑等與其他傳統(tǒng)材料混合或復合，成為具有新性能的結構材料或改善了傳統(tǒng)材料特性。
一納米是一米的十億分之一，即1nm＝10-9m，納米顆粒屬于學術定義上的“超細顆?！保杉{米級顆粒組成的材料便是納米材料。納米技術和超細顆粒材料的發(fā)展，正日益受到世界各國科技工作者的關注，使人類科技發(fā)展進入了充滿希望的新天地。
超細顆粒材料的制備，在技術上有一定的難度，并在產品規(guī)模和成本上都影響著工業(yè)部門的采用。此外納米顆粒一旦產生就很容易團聚成二次顆粒，所以實際上很難得到真正的納米顆粒，也很難貯存和運輸，又由于超細顆粒具有很大的表面積，在大氣中極易急劇氧化而生熱，所以在處理納米材料時還要考慮慢氧化措施。盡管有這么多難題，但人類從來就沒
有懼怕過，技術總是在向前發(fā)展著。
水泥顆粒范圍約在10-1～100μm之間，屬于亞微米級以上顆粒范疇，即便是“超細水泥”，指的也是廣義上的“超細”，即30μm以下顆粒占有較大比例的水泥。納米技術和納米材料能否應用于水泥領域？能否提高水泥質量和起到“節(jié)能減排”的作用？這些正是人們考慮和研究的問題。本文梗概介紹一下國內外的研究現(xiàn)狀。
1 利用納米技術提高水泥機械運轉效率
水泥工廠使用了破碎、篩分、輸送（給料）、貯存、粉磨、選粉（分級）、收塵等幾乎所有粉體物料處理的機械設備，此外還有大量的風機、泵等機械。這些設備與機械的工作環(huán)境相當惡劣，如酷熱（嚴寒）、粉塵及腐蝕等，處理的物料有許多硬度大、不易破碎和粉磨的礦石物料，對機械磨損相當嚴重。然而水泥生產是連續(xù)的過程，要求機械設備能長期連續(xù)安全運轉，否則某個部分的事故造成停產，將給水泥企業(yè)造成巨大經濟損失，甚至工人的安全也要受到威脅。因此水泥廠的機械設備最基本的要求是耐磨損，可連續(xù)穩(wěn)定運轉，我國與國外有關研究人員采用納米技術來改進機械運轉水平的研究，有如下內容：
●對純鐵表面進行納米化處理，實現(xiàn)常規(guī)氣體氮化技術，這就解決了以往金屬表面進行氮化處理提高耐磨、耐蝕性時不易解決的難題，這種提高金屬表面耐磨性的方法，可以使水泥廠內使用的風機葉片、機械軸承、輸送管道、磨機內襯板、研磨介質等部件提高工作性能；
●防止設備磨損破壞，加強機械運轉部位的潤滑工作相當重要，將納米銅粉或納米銅合金粉加入潤滑油中，可使?jié)櫥蕴岣?0倍以上，能有效減少機械部件磨損，提高設備運轉率，延長設備使用壽命；
●使用納米潤滑油添加劑，在摩擦磨損過程中產生的納米金屬粉和氧化物粉將會產生自修復作用，解決機械磨損的自適應和自修復難題，納米潤滑油添加劑可用MoS2、PbS、WS2等納米材料。還有一種“硬修復層”的自修復作用，即納米顆粒在一定壓力、溫度、摩擦力作用下，在“摩擦對偶”新生面的化學活性、催化作用及負電子還原作用下，還原為微晶單質，再加之摩擦產生的局部高溫，微晶單質形成具有磨損補償作用的熔融合金膜，可以使用CuO、PbO、Ag2O、CuS、PbS、Ag2S等納米材料。
2 利用納米技術提高燃燒效率
現(xiàn)在國內外水泥熟料熱耗最先進指標已達到2700～2800kJ/kg，距理論熱耗2200kJ/kg已很接近，因此水泥科技工作者又在努力開發(fā)低鈣水泥或生態(tài)水泥等。如此說來在燃燒過程中采用納米技術、提高燃燒效率、降低水泥熟料熱耗是水泥工業(yè)節(jié)能研究領域中重要的一個方面。
眾所周知，我們若將水泥原料經過超細粉磨等煅燒前處理，使其獲得最佳的機械力活性化效果，可以使之易于燒結，在高溫下煅燒時，燒結時間可能縮短或使燒成溫度從1480℃下降低。正在研究提高燃燒效率的納米技術，是將納米微粒燃燒催化劑添加到燃料中去，利用納米微粒高比表面積與高活性的催化作用，提高燃燒效率，并且還能減少CO2的排放量。
Fe2O3超細顆粒可將CO2分解成C和H2O，這對于減少溫室氣體排放量來說有著重要的意義。
3 水泥基材料的納米技術應用基礎研究
日本水泥研究人員發(fā)現(xiàn)水泥基材料中約有70％納米級的C－S－H凝膠，從材料科學與顆粒設計觀點出發(fā)，有可能用超細納米顆粒和納米技術改造傳統(tǒng)水泥產業(yè)，已在水泥水化、混凝土結構、功能混凝土等方面取得了一些應用基礎研究成果。在水泥混凝土系材料中，結構組織分為三級，即100μm以上的組織尺度、10nm～100μm的顆粒尺度和10nm以下的原子尺度。支配水泥、混凝土性能的尺度范圍在10nm～100μm，水泥水化物中C－S－H（硅酸鈣水化物）存在著直徑約1nm的空隙，另外，鈣離子等硅酸鹽離子與近似于原子大?。?.1nm）的水分子反應，能生成幾十納米的C－S－H水化物。在加水攪拌混凝土時，除去砂、骨料外，水泥凈漿中含有固態(tài)水化物、未水化的水泥顆粒以及空隙等，水泥水化反應的顆粒大小也近似原子大小，雖然水化過程的混凝土顆粒范圍在1nm～10000nm，但水化產物仍屬于納米級范疇。
●在水泥粉體的密充填方面，當混凝土拌合時加入一種稱為硅土的混合材（Silila fame），這是一種納米級粉體，平均粒徑在100nm以下，為球狀超細粉，在加水拌合時，這種混合材與水泥顆粒形成間隙梯度，從而促進了粉體密充填，當硅土混合材在攪拌水中分散時還擴大了水相體積，減少了需水量，使之成為低水灰比混凝土。另外，采用石灰石粉充填的水泥，也有利于水泥密充填，因為石灰石的易磨性比水泥熟料好，因此在混合粉磨水泥時，石灰石易形成超細粉，細度在2μm以下。摻加石灰石粉后，由于C－S－H凝膠的發(fā)展，CaCO3起著晶核的作用，硅酸鹽離子可以從C3S邊界移出，并在CaCO3顆粒上形成C－S－H凝膠相，因而提高了水泥硬化漿體的性能。
●在混凝土中水泥顆粒的分散方面，由于減水劑使水泥顆粒表面產生負電荷，因而使混凝土中帶有負電荷的水泥顆粒之間因同性相斥而分離，當顆粒間距離大于1nm，表面電位在負20mV以上時，可以形成穩(wěn)定的分散，因此1nm左右的距離是決定顆粒分散與團聚的關鍵，這是研究萘系混凝土減水劑要考慮的問題。
還有一種聚碳酸系減水劑，能顯著降低水灰比增加混凝土的強度。這種減水劑的結構上有主鏈和側鏈，主鏈丙烯（長度20nm～100nm）上結合著側鏈聚乙烯乙二醇（長度5nm～20nm），成為櫛狀構造。由于側鏈的立體屏蔽作用，阻止了水泥顆粒間的團聚，因此改變聚碳酸減水劑的主鏈與側鏈的長度就可改變水泥顆粒的分散效果，增加混凝土的流動性。
●在控制水泥硬化體空隙方面，由于水泥硬化體的特性是由內部空隙決定的，所以混凝土的強度與空隙構造有著非常密切的關系。毛細管空隙量占混凝土硬化體中全部空隙量的2/3左右，膠凝空隙的直徑在2nm左右，相當于C－S－H層間距離，凝膠空隙約占毛細管空隙量的20%。50nm以上的毛細管空隙量越多，則離子透過性、透氣透水性越好，但混凝土的強度就要降低，利用納米礦粉填充水泥硬化體的空隙，即可提高混凝土的流動性，還可改善水泥硬化基體與骨料的界面結構，從而使混凝土的強度、抗?jié)B性與耐久性提高。在摻硅粉的水泥硬化體中，由于硅粉可以堵塞硬化體中空隙，并與水泥水化時產生的Ca(OH)2發(fā)生化學反應，生成C－S－H凝膠，可提高混凝土的抗壓強度。
4 對水泥基材料的納米化改性
現(xiàn)在我國、日本和美國利用納米技術和納米材料對混凝土進行改性都有一些研究成果。
利用納米材料的特性提高混凝土的彈性和韌性，現(xiàn)在已取得很大進展。例如在混凝土中加入具有柔性功能的且與水泥有良好親和性的納米材料，就可能改善混凝土的韌性。
另外在多孔混凝土中使用浸漬涂覆等方法，通過Ca、Mg、Al等離子反應使混凝土內部和表面形成玻璃態(tài)，形成以硅酸鹽為主要成分的納米膠態(tài)材料，則混凝土強度可提高2倍～10倍，成為高強度混凝土。利用納米技術對混凝土進行改性，出現(xiàn)了幾種智能型混凝土，如“安全警告”、“自我診斷”、“自我調節(jié)”和“自我修復”混凝土等。利用納米材料的量子效應和光催化效應，可以使混凝土具有吸收電磁波、凈化環(huán)境空氣、分解有毒有害物質、以及凈化污水等多種功能。如吸收電磁波的混凝土、空氣凈化混凝土、抗菌防霉混凝土、凈水功能混凝土等。
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