1、土木工程中的纳米技术 中文 4290 字， 2615 单词 土木工程中的纳米技术 Fatima Ghani Member COA,Member IIID,India 摘要： 为了拓宽视野，本文对土木工程中的纳米技术的实践意义和创新作了阐述。它创造了具有新特性和功能的材料设备系统。纳米技术在构建创新基础设施系统中的作用对土木工程的实践和拓宽领域带来了革命性的改变。本文首先介绍了纳米技术和它们跨学科应用的优缺点，其次是土木工程一般的背景资料和目前的发展情况。 此外，阐述了无论在市场上还是准备用于建筑行业的功能导向的纳米技术材料和产品的细节以及一 定时间内可能导致的后果。列举了一些目前纳米技术在世界
2、各地不同部分的土木工程领域的应用实例。对在最具挑战性的经济因素下它的实用性进行了简要的讨论。最后是未来的发展趋势，纳米技术的发展对土木工程向着更经济的基础设施，具有较长使用寿命和低成本的潜在影响的探讨。 关键词： 土木工程 ； 纳米材料 ； 纳米技术 ； 可持续发展 1 简介 1.1 背景 作为建筑行业的人肯定都对获得原材料，把它们组合在一起然后把它们构建成一个可识别的形式的概念非常熟悉。建筑成品是一个被动的物体。随着环境影响和项目业主的滥用它的功能在慢慢衰退。建筑 绝不是一门新的科学或技术，但在其历史上已经发生了很大的变化。同样，纳米技术也不是一门新的科学和技术，而更可以说是一个扩展的科学和
3、技术。粒子的大小是关键因素，在纳米技术中（任何事物，从一百或者更多下降到几纳米，或 10-9m）大大的改变了材料的特性。另一个重要方面是，作为纳米尺寸的粒子，在表面上原子的比例相对于内部增加会产生新的属性。正是这些“纳米效应”，最终确定了我们所熟悉的“宏观” 的所有属性，这正是纳米技术的力量来源 如果我们可以在纳米尺寸上操纵元素，那就可以影响其宏观性质，并产生新材料和新工艺。 1.2 什么是纳米 纳米，希腊文中 “ 侏儒 ” 的意思。一纳米是一米的十亿分之一。 “ 纳米技术 ”土木工程中的纳米技术 的定义有很多，但一般是指在 0.1100nm 尺度的空间内来研究理解物质。控制在纳米尺寸上的意义
4、与重要性是在这种范围内不同的物理定律发挥作用（量子物理学）。接近纳米级的方法有两种：从上而下收缩，或者自下而上发展。“自上而下”的方法需要将结构通过加工和蚀刻技术减小到最小纳米级尺寸，而“自下而上”的方法通常被称为分子纳米技术，意味着控制或定向原子和分子的组合来创建结构 3。 1.3 建筑纳米技术 20 世纪 90 年代初英国的德尔菲 调查显示建筑行业是唯一一个确定纳米技术具有广大前景的新兴技术的行业。瑞典和英国建筑报告 8-9中也强调了纳米技术的重要性。此外，预制混凝土及混凝土制品被确定为在 1015 年间可能会受到纳米技术影响的 40 个行业领域之首 6。然而，建筑行业的发展滞后于其他工业
5、部门，由此纳米技术的研究吸引了大型工业企业和风险投资家的浓厚兴趣和投资。意识到纳米技术在建筑行业的巨大潜力和重要性，在 2002 年年底，欧盟委员会批准拨款给成长工程 GMA1-2002-72160“ NANOCINEX” 建立一个纳米技术在建筑结构中的卓越贡献 的网站。 2 纳米技术在土木工程中的应用 由于纳米技术产生的产品具有许多独特的性质，因此纳米技术可用于许多领域的设计和施工过程中。除此之外，这些特性还可以显著的解决当前建设过程中存在的问题，并可能改变建设过程中的要求和组织形式。 它的一些详细应用研究如下： 2.1 混凝土 混凝土是一种最常见和广泛使用的建筑材料。纳米技术被用于研究其属
6、性，如水化反应，碱硅酸反应（ ASR）和粉煤灰反应 2。碱硅酸反应是由于硅质岩水泥和二氧化硅等碱性活骨料的含量引起的。在混凝土配合比中用 pozzolona 取代部分水泥可以减 少 ASR 孔隙流体的碱度。粉煤灰不仅提高了混凝土的耐久性和强度 更 重要的是达到可持续发展的要求，减少了水泥的用量。不过，这种混凝土的固化过程减慢是由于粉煤灰和早期强度的增加，在普通混凝土中也是比较低的。 纳米二氧化硅的添加产生致密的微观和纳米结构使机械性能得到了改进。随着部分水泥被添加的纳米二氧化硅所替换，粉煤灰混凝土的密度和强度提高了，尤其是在早期阶段。掺杂大量粉煤灰的混凝土早期可以在纳米尺度上填充大量粉煤灰水土
7、木工程中的纳米技术 泥颗粒之间的孔隙来改善孔径的分布。无定形纳米 SiO2 的扩散 /浆料是用来改善密实混凝土 11的抗离析 性。添加少量碳纳米管（ 1%）可以增加抗压和抗折强度 1。这也可以改善由硅酸盐水泥和水组成样品的力学性能。氧化多孔碳纳米管（ MWNT）的抗压强度（ +25N/MM2）和抗弯强度（ 8N/MM2）相对于未经加强的参考样品有最好的改进。 开裂是许多结构的一个大问题。伊利诺依州 Urbana-Champaign 大学的分校正在研究愈合聚合物，其中包括微胶囊化的治疗剂和催化化学反应的触发器 8。当微胶囊被裂纹破坏时，愈合剂释放到裂纹中与催化剂接触。发生聚合反应粘结裂纹面。自我
8、修复的聚合物特别适合于解决微裂纹的桥墩柱。但它 需要昂贵的环氧注射。研究表明，把厌氧微生物（不需要氧气）添加到混凝土搅拌水中在 28 天内强度增加了 25%。希瓦氏菌的微生物的浓度为 105 个细胞毫升，纳米尺度的观察显示在其表面上有沉积的水泥砂基质。这导致了填充材料在水泥砂基质孔隙中的生长以增加强度。 最后，在今天应用混凝土纤维来增加预制混凝土构件的强度是相当普遍的。在程序中的一大进步是含有纳米二氧化硅粒子和硬化剂的纤维片材（基质）的使用。这些纳米粒子愈合了混凝土表面小的裂缝，并在加强的应用程序中混凝土基质和纤维材料之间的表面形成牢固的键。 2.2 结构复合材 料 钢材是一种重要的建筑材料。
9、 1992 年联邦公路管理局和美国钢铁协会以及美国海军通过将铜纳米颗粒焊接在钢晶体的边界开发了新的，低碳，高性能钢（ HPS），具有较高耐腐蚀性主要用于桥梁的建设 5。 山特维克南澳弗雷斯 TM 是山特维克南澳弗雷斯材料技术开发的一种新型不锈钢。由于它的高性能，很适合运用于轻巧而又坚固的设计。 MMFX2 纳米改性钢，美国 MFX 钢铁公司生产的，具有良好的耐腐蚀性，成形性和耐磨性，可以保持生命周期低成本 10.与传统的钢相比。它有一个完全不同的微观结构，类似“夹板”的叠层板条结构。于纳米结 构的修改， MMFX 钢相比于其他高强度钢具有优异的力学性能，如高强度，韧性和耐疲劳性。这些材料性质可以降低建设成本，在腐蚀环境中的使用寿命更长。 MMFX2 钢的耐腐蚀性与不锈钢相近，但成本要低得多。因此， MMFX 钢已获得认证用在美国的整个一般的建设中。
