納米氧化鋁添加到混凝土中的作用
水泥混凝土問世以來一直是建筑工程重要的結(jié)構(gòu)材料之一，得到廣泛的應(yīng)用。隨著混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)模及使用范圍的不斷擴(kuò)大，其服役環(huán)境及所受荷載日趨復(fù)雜。因此，為確�；炷两Y(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，有必要進(jìn)一步針對混凝土的性能進(jìn)行改性，以滿足各種條件下的使用要求。
以納米材料為代表的的超細(xì)粉體，是目前用于水泥基材料復(fù)合改性的一類新型材料。將納米材料摻入混凝土基體，可有效提升混凝土力學(xué)及變形性能。目前，針對納米混凝土的研究已取得許多成果，所摻入的納米材料多為納米二氧化硅（VK-SP30）、納米碳酸鈣（VK-Ca01）和納米氧化鋁（VK-L20Y）。納米二氧化硅、納米碳酸鈣主要集中于納米混凝土的工作性和準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能。然而，許多混凝土結(jié)構(gòu)在其服役期間難免會面臨沖擊、高溫以及爆炸等極端外部荷載作用的威脅，因此納米氧化鋁（VK-L20Y）添加到混凝土中起到重要的作用。
納米氧化鋁是一種新型的納米材料，具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，其光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性能優(yōu)勢。摻入納米氧化鋁與水泥具有天然的相容性，而且納米氧化鋁）具有極高的強(qiáng)度和很好的韌性，在水泥水化反應(yīng)中其產(chǎn)物具有較高的活性，能夠有效增強(qiáng)混凝土的性能。
混凝土破壞的實質(zhì)是內(nèi)部裂縫的萌生、擴(kuò)展直至貫通，最終導(dǎo)致混凝土的實效破壞，納米氧化鋁的摻入，改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少了初始裂縫。
有實驗表明，納米氧化鋁均勻彌散與混凝土中，從微觀層面上改變混凝土的內(nèi)部，進(jìn)而對宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生影響。在不同放大倍數(shù)下素混凝土和納米氧化鋁混凝土的微觀形貌電鏡掃描圖像分別如圖6、圖7所示。
由圖6可知，素混凝土的內(nèi)部水泥石微觀形貌粗糙，可見大量空隙暗影。圖6b中可見大連柱狀晶體交叉成網(wǎng)，大量粒狀和団狀晶體散亂分布其間，微裂縫發(fā)育明顯；圖6c中存在大量針狀晶體散亂分布于柱狀晶體網(wǎng)絡(luò)之間，微裂縫廣泛分布；圖6d中出現(xiàn)顯著薄弱區(qū)，較大孔隙缺陷和暗影。由于大量的針狀、粒狀和団狀晶體散亂分布于柱狀晶體網(wǎng)絡(luò)中，加之大量缺陷孔隙和發(fā)育顯著的微裂縫，對水泥石性能產(chǎn)生十分不利的影響，進(jìn)而影響混凝土的強(qiáng)度形成，導(dǎo)致宏觀裂縫的發(fā)展，引起混凝土的內(nèi)部損傷。
由圖7a、b可以看出，在相同倍數(shù)下，納米氧化鋁混凝土的圍觀形貌較素混凝土更均勻，孔隙暗影較少，無顯著薄弱區(qū)和網(wǎng)狀或柱狀晶體斷面，未見針狀有害晶體和大量団狀晶體。在較高倍數(shù)電鏡掃描下的圖7c、d，可見突起的圓粒狀晶體，未明顯脫離基體，雜質(zhì)晶體少，斷面均勻，微觀形貌密實。突起的圓粒狀晶體增大了反應(yīng)的接觸面積和接觸摩擦力，在一定程度上阻礙了破壞時結(jié)構(gòu)內(nèi)部的相對滑移。同時納米氧化鋁比表面積較大且具有較強(qiáng)的吸附能力和催化活性，在水泥水化過程中生成的氫氧化鈣可在納米氧化鋁表面形成水化鋁酸鈣，且易與水泥總的水化產(chǎn)物產(chǎn)生化學(xué)鍵合，再此過程中，大量六方片狀氫氧化鈣有害晶體被反應(yīng)消耗。此外，納米氧化鋁彌散于水泥基復(fù)合材料中，填充于水泥石的微孔隙中，在水泥硬化漿體原有網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，鍵合更多納米級水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)進(jìn)而形成新的致密網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，細(xì)化了界面過渡區(qū)中的氫氧化鈣有害晶體，改善了混凝土微觀界面過渡薄弱區(qū)中氫氧化鈣晶體的富集和定向排列性能，增加了水化產(chǎn)物在界面薄弱區(qū)的含量，優(yōu)化了基體界面性質(zhì)，提高了水泥硬化漿體的密實度，進(jìn)而提高了納米氧化鋁混凝土強(qiáng)度和韌性，進(jìn)而提高了混凝土的沖擊韌性。