纳米材料在土木工程中的应用

纳米材料是高新科技行业的研究热点。纳米材料是超细材料，其粒径在原子团簇和宏观物体之间的纳米级（1～100nm）过渡区域中。它是典型的微观系统。它包括各种颗粒材料，如金属，非金属，有机，无机和生物。

纳米技术的一个主要任务是制备具有不同组成和用途的多功能纳米颗粒。由表面效应和量子尺寸效应产生的纳米颗粒的独特物理性质一直是广泛研究的主题。纳米颗粒的光谱特性在这些特性中占有特殊的位置；在这方面，紧凑型半导体材料与相应的纳米颗粒之间的差异（有时非常大）是最明显的，并且已经建立了解释许多观察到的效应的理论基础。随着半导体纳米颗粒尺寸的减小，有一个特定的尺寸（每种半导体的特性），从这个尺寸开始，带隙宽度增加，光谱向较短的波长移动。在量子点态中，半导体和金属纳米粒子中传导电子（由于其波的性质）的态函数的密度只能获得确定的离散波长（能量）值，从而产生量子尺寸效应，即传导电子从连续能量向离散能量的转变光谱。因此，这种纳米颗粒获得了独特的光学和电子特性，这在散装样品中是不存在的。纳米材料的基本性质取决于纳米相结构的大小和形状。利用一系列相互补充的结构工具，可以获得有关纳米颗粒结构和形态的详尽信息。大约十年前，将纳米大小的颗粒（而不是这些纳米和微米大小的颗粒）加入原材料中，导致了一种称为“纳米材料”的新型材料的发展，这种材料具有更好的稳定性、耐久性和其他的各项性质，这与基础材料相比具有更好的性能。此外，纳米材料可以显著改善多种材料的表面特性、固色性、过滤性能等。回顾了纳米材料作为新技术在各种加工过程中的应用文献，发现纳米材料显著提高了材料性能。基于纳米技术的产品制造和使用的增加引起了各领域专家的关注。

纳米材料在建筑中的应用主要包括以下几个方面：

1.纳米陶瓷以及玻璃

使用纳米技术来改善玻璃特性，能改善传统玻璃材料的脆性等缺点，同时提升玻璃材料的透光性和硬度，这种纳米玻璃的自清洁能力强，且能有效隔绝甲醛等有害物质，非常适合高层建筑。陶瓷材料耐高温、耐磨性能良好，广泛用于工业、建筑等行业。然而其性脆，易碎，因此专家陶瓷材料在耐磨性，高韧性和高强度方面得到改善。纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性。这些性质使得纳米陶瓷材料能够在正常或亚高温下冷加工。如果纳米陶瓷颗粒在亚高温下加工然后进行表面退火，则纳米材料可用作表面以保持传统陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部仍具有高性能纳米材料的延展性。

图17-6　纳米玻璃

2.纳米涂料

传统涂料的光洁型及耐久性能较差，因此纳米技术可以很好地弥补传统涂料的缺陷，并在性能上进行优化改善。通过改进后的涂料粘接能力更强，耐磨性更好，硬度更大，延展性和柔韧性也有所改善，能有效抵御外部风沙。其内部纳米级别的颗粒扩大了比界面，提升涂层粘附性。由于其表面更能成膜，使涂料保色性、光洁度都有所增强。纳米技术改进了涂料的耐久性和抗紫外线强的缺陷，而且延长了涂料的使用时间。有些添加过其他特殊材料的涂料还具有防辐射、防有害气体、保温隔热等功能，适用于涂在建筑物外墙上[5]。(www.xing528.com)

3.纳米保温防护型建材

建筑防水问题是一直存在的难题，对于此，建筑商可以利用新的纳米技术开发纳米防水膜，该纳米技术具有光热稳定性。用于关键外部保护位置的一些绝缘材料，如屋顶和墙体部分，从而保护建筑使其免受妨害。常见的隔热材料包括聚氨酯泡沫，纤维和石棉。这些隔热材料性能虽然较好，但其反应后容易产生有毒物质，对周围环境产生不利影响，尤其是长期居住易对人体有害。因此需要通过科技手段改良这些材料。而纳米技术可以有效进行改善，且绿色无污染，是现代绿色智能建筑的不二之选。

4.纳米水泥混凝土材料

水泥材料在建筑行业的使用非常广泛，但其易开裂的问题导致建筑物后期维护费用大大增加，而纳米技术则可以改进水泥材料的相关问题，并提升其各种性能。将纳米材料加入到混凝土中的步骤如下：

1）在传统的混凝土原料中添加纳米矿物材料，填充其空隙，提升流动性，改善骨料结构，使其耐久性增强。

2）纳米金属粉末也可用于水泥混凝土原料，能屏蔽材料外部的电磁干扰。

3）应用水泥外加剂，将XPM水泥外加剂添加到水泥中可有效提升防水性能[4]。纳米材料的使用有效提升了混凝土的各项性能，扩宽了混凝土的功能，让其朝着绿色、智能化方向发展。