纳米科技在土木工程中的应用

纳米科技在土木工程中的应用

序言：纳米科技是一门崭新的，具有划时代意义的前沿性学科，是21世纪经济发展的发动机。纳米科技的发展，不仅促进了经济的飞速发展，而且使土木工程事业遇到了前所未有的机遇。由于纳米材料无可比拟的特性，使得跨越性高层建筑，特大跨度桥梁，新型道路的建设成为可能。纳米科技必将推动土木工程事业不断向前发展，也必将推动人类社会的飞速发展。

关键词：纳米复合材料，建筑材料，混凝土，跨度，荷载。

引言

科学界普遍认为：纳米技术，信息技术与生物技术，是21世纪最有影响力的三大关键技术，不仅对人类社会的进步起到了重要的作用，而且对与促进各国经济、文化的发展起到了关键性的作用。有专家曾经预言，21世纪是纳米的时代，在21世纪纳米技术将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”。

1 纳米科技的发展现状

著名科学家钱学森指出:“纳米科技是21世纪科技发展的重点，会是一次技术革命，而且还会是一次产业革命”。随着世界发达国家对纳米研究的深入，我国对纳米材料和技术也非常重视 ，为推动我国纳米技术成果产业化．国家通过财政投资并带动社会投资．希望通过5—10年的努力．造就一批具有市场竞争力的纳米高科技骨干企业。已先后安排了许多纳米科技的研究项目，并取得显著成绩，纳米技术在许多方面已达到国际领先水平。 2 纳米科技对土木工程的影响

纳米科技的快速发展，不仅带动了科技水平的不断提高而且也对土木工程事业产生了重大影响。近几年来由于纳米科技在土木工程上的应用，使得土木工程建筑与技术有了质的飞跃。特大跨度的跨海大桥已不再是设想，高层建筑的建成已成为现实。纳米技术已开始遍及土木工程行业的各个方面。比如：年5月1日晚正式通车的全长公里杭州湾跨海大桥的建成，就离不开纳米技术的应用；北京奥运会中的许多建筑都离不开纳米建筑材料发挥的巨大作用；高米的迪拜塔的建成也用到了许多纳米技术；更值得一提的是，纳米技术在最近正在举行的上海世博会中的许多国家馆以及地方馆中也大展身手。因此，纳米科技在土木工程中的应用关系到未来土木工程的发展方向与命运。

3 纳米科技在土木工程中的应用

3.1 纳米科技在混凝土中的应用。随着经济全球化的进一步发展以及我国经济建设的全面开展，混凝土作为建筑中应用量最大、使用范围最广的建筑材料，其产量和用量都在不断的增加。而随着土木工程事业的不断发展与完善，许多土木工程领域，对水泥和涂料的要求也逐渐提高，不但要求它们具有传统的特性，还希望其能够发挥些特殊的功能特性，如希望其能够具有高强度，抗老化性，吸声、防冻、高硬度，高韧性等功能。因此，对传统的水泥材料的改造任务已迫在眉睫。 纳米科技的不断发展，为传统混凝土的改造提供了前所未有的广阔前景。应用纳米技术改造后的混凝土，不仅具有传统混凝土的特性，而且拥有了新的特性： ①高性能混凝土：采用纳米技术，开发硅酸盐系胶凝材料的超细粉碎技术和颗粒球形化技术等，可大幅度提高水泥熟料的水化率，在保证混凝土强度的前提下，能降低水泥用量—％，对降低资源负荷和环境负荷，为实现建材工业可持续发展做出重大贡献。②净化环境的混凝土：将纳米技术应用于混凝土，从而使得混凝土具备了净化环境的功能，不仅可以有效的分

解有毒物质和某些微生物，净化空气和地表水等，还可在空间和地面同时起到保护环境的良好作用。③智能预警混凝土和在线修复混凝土：利用纳米技术，使混凝土在产生破坏前具有报警功能，可以有效的避免事故的发生，具有非常广阔的发展前景。

④弹性混凝土：利用纳米材料特性，可以提高混凝土的弹性和韧性，应用于建筑应用中可提高建筑物防震能力及其他相关性能。⑤自我修复混凝土：当混凝土出现裂纹等缺陷时，通过纳米技术的机制，调动混凝土自身的原子微区反应，进行自我修复，延长工程寿命，提高建筑物安全性。

⑥纳米结构型复合水泥 3.2 纳米科技在陶瓷中的应用

陶瓷不仅广泛应用于日常生活和工业生产中，而且在建筑行业也起着举足轻重的作用。由于传统陶瓷材料存在质地脆，韧性强度差的先天性不足，使得其在土木工程中的应用受到了限制。纳米科技的发展改变了这一不足，纳米陶瓷具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点，使它们具有像金属一样的柔韧性和可加工性，这使得使纳米陶瓷材料的应用前景更为广阔。

3.2.1纳米材料在耐高温陶瓷中的应用。

近年来国内外对纳米陶瓷的研究表明，在微米级基体中引人纳米分散相进行复合，可使材料的断裂强度、断裂韧性大大提高2至4 倍，使最高使用温度提高400％一600％，同时还可使材料的硬度、弹性模量、抗蠕变性和抗疲劳破坏性能提高。

3.2.2多孔陶瓷材料

利用纳米技术生产的多孔陶瓷材料，可对工业废气进行过滤分离。多孔陶瓷具有很好的耐热、耐化学腐蚀等性能，具有寿命长、免维修的特点。利用纳米材料的光催化效应，可对汽车尾气催化分解。光催化剂和cu离子催化剂的新型陶瓷在常温下可直接将空气中的有害气体分解，还可制成直接吸收并固定SO的陶瓷材料。将这些材料做成饰面瓷砖，可净化空气，提高环境质量。

3.3纳米科技在装饰材料中的应用—纳米瓷砖

在所有的装饰材料中，只有瓷砖在浴室中能够领独领风骚。纳米科技已经使瓷砖这个装饰元素越来越合乎特殊环境的需求，而且在功能上日趋完美，更加满足浴室特殊的需求。同时，它也在品位上颇下功夫，而这些全都离不开纳米科技的不断发展的。浴室中比较潮湿，经常会受到水流的洗礼，因此瓷砖的吸水率要低。通过应用纳米技术对瓷砖进行改造，不仅使瓷砖具有抗菌的作用，能有效防止细菌的滋生。而且有效降低瓷砖的吸水率，此外这种瓷砖的耐磨程度也是很高的。

3.4 纳米科技在建筑道路中的应用

据报道，香港科技大学研究出一种旧轮胎制造的建筑泥土，可以代替建筑道路、桥梁、填海用的泥土，坚硬度可以抵御8级地震，而成本却比一般泥土要低至少20％。这种新型泥土以废轮胎为原料，结构为纯塑料粒、水泥和塑化液体。不仅具有弹性高和渗水性能好的特点，而且还可以耐高温，承受力比一般泥土高4—6倍， 重量也比一般泥土轻20 ％，最值得一提的是，这种新型的道路材料可以很好的处理了城市中的大量废旧轮胎，可以有效的减少城市固体废弃物的污染，保护了环境，是一种具有很大发展潜力的绿色材料。

3.5纳米科技在玻璃上的应用

利用纳米技术给玻璃“穿上”厚的氧化钛“外套”，即相当于头发丝粗细的／，这层纳米外

套使它具有不同与传统玻璃的特点： ①自我清沾：这种纳米膜与太刚光线中的紫外线发生反应，能产生双重作用：一是把落在玻璃上的有机物分解掉；二是使玻璃表面产生亲水性，把雨点或雾气变成一个薄层而使玻璃表面湿润，达到清洁玻璃的作用。通常，这个涂层被光照5 天后，夜间也能坚持发挥作用 。

②净化空气：这种玻璃在“白沽”的同时，纳米涂层还能不断分解甲醛、苯、氨等有害气体， 杀灭空气中的各种细菌和病毒，有效地净化空气，减少了室内污染。

3.6纳米科技在绿色环保建材中的应用

随着社会经济的不断发展，环境问题也越来也突出。传统的环保观念与土木工程设施已远远不能满足人们的需要，开发新型的高效环保建筑材料，成为土木工程追求的新目标。纳米材料因其特有的颗粒尺寸和表面特性及其光催化剂性质和抗菌、除臭、消毒等性质，在环保领域具有十分重要的应用前景。随着研究的不断深入，纳米技术与工程应用的结合越来越紧密，纳米技术与建筑材料的结合，为人们展示出建筑材料向着改善生活环境、提高生活质量的生态建筑材料发展的广阔领域。

4 展望未来

纳米科技由于其无可挑剔的优越性，已成为世界各国研究的热点。其应用已渗透到人类生活和生产的各个领域，促使许多传统产业得到改进。随着土木工程业的飞速发展与不断完善，越来越多的新型纳米建筑材料产生必将对土木事业的发展产生深远的影响。

改造现有传统的建材产品，开发具有新功能的纳米材料和拓宽现有纳米材料在土木工程中的应用，已成为当务之急。因此，纳米材料及纳米复合技术在建材中的应用，是将来新型建筑材料发展的重要方向。