27、纳米材料与纳米流体在工程领域的应用与特性

纳米材料与纳米流体在工程领域的应用与特性

1. 纳米材料在混凝土中的应用

纳米材料凭借其小粒径和大比表面积的特性，在混凝土领域展现出诸多优势。它能够增强混凝土基体，改善其多种性能，如抗弯强度、劈裂抗拉强度、抗压强度、耐磨性、抗渗性和孔隙结构等。

1.1 作为火山灰材料的纳米材料

在建筑行业，纳米材料作为火山灰添加剂在胶凝材料中的应用潜力巨大。火山灰材料与氢氧化钙发生化学反应，形成额外的胶凝化合物，从而提高混凝土的强度、耐久性和整体性能。研究表明，火山灰纳米材料（如纳米二氧化硅和纳米氧化铝）能显著提高水泥基材料的抗压强度、降低孔隙率并改善微观结构。非火山灰纳米材料（如碳纳米管和石墨烯）则能改善水泥基材料的拉伸和抗弯性能。

1.2 新拌混凝土性能

新拌混凝土的性能受多种因素影响，如含水量、骨料特性和外加剂的使用。纳米颗粒由于其大比表面积和吸水能力，会影响混凝土的工作性。掺入纳米颗粒通常会降低混凝土的流动性，但在某些应用中（如路面浇筑和喷射混凝土），纳米颗粒可增强混凝土的粘结性并防止离析。不同类型和浓度的纳米材料对混凝土的凝结时间也有不同影响，高活性纳米颗粒可促进更快的水化反应，缩短凝结时间；而某些纳米材料可能阻碍水分移动，延迟水化，延长凝结时间。以下是不同纳米材料对混凝土性能影响的总结：
| 纳米颗粒名称 | 替代百分比（%） | 对流动性的影响 | 对凝结时间的影响 |
| — | — | — | — |
| 纳米二氧化硅（SiO₃） | 3 | 降低58% | 降低12.5% |
| 纳米二氧化硅（SiO₃） | 4 | 降低57.2% | 降低60% |
| 纳米二氧化钛（TiO₂