利用二氧化钛纳米颗粒评估混凝土的抗灾韧性

摘要

本方案描述了评估将二氧化钛应用于混凝土是否能够增强其物理性能，从而提高其对极端事件引发的自然灾害影响的抵抗能力。

摘要

近几十年来，全球不同地区的极端事件发生频率加剧，对经济、安全以及受影响人群的生活质量造成了重大影响。这一现实凸显了迫切需要创新解决方案以减轻此类损害。在此背景下，纳米技术作为一种有前景的范式应运而生，其中纳米添加剂被证实是提高建筑材料耐久性、抗渗性和力学强度的有效手段。二氧化钛（TiO₂）、碳纳米管（CNTs）、二氧化硅、黏土和铜（Cu）等纳米颗粒已被证实可改善材料的耐久性、强度-重量比、稳定性及抗震性能。这些纳米材料的引入通过减少混凝土基体中的孔隙和毛细孔，促进其致密化，从而增强防水性能并阻碍有害物质的渗透。本研究在系统文献综述的基础上开展实验研究，包括对处理与未处理材料的吸水性模拟及表面完整性评估，旨在评价纳米添加剂在应对气候变化挑战时对安全性、耐久性和可持续性的贡献。结果表明，添加1%的纳米TiO₂可获得最高的力学强度，而更高浓度则因颗粒团聚导致性能下降。该发现强调了优化纳米颗粒掺量以提升混凝土在自然灾害中的抗灾能力的重要性，有助于推动可持续建筑实践。与铜基添加剂的对比显示，尽管铜基材料在长期使用中表现出一定的强度提升，但其整体力学性能仍显不足，进一步凸显纳米TiO₂在灾害频发环境中提升混凝土耐久性方面的更大潜力。鉴于环境灾害日益频繁，通过可持续方式将纳米材料融入土木工程建设，必须审慎考虑其合成工艺、长期稳定性，以及纳米颗粒与生物和非生物环境组分相互作用可能带来的生态影响。

引言

灾害是由能够对社会构成风险的自然现象所引发的极端事件，例如洪水、滑坡、地震等，这些事件也可能受到人为因素的影响¹。随着2024年气候变化的发生，肯尼亚等非洲国家以及印度尼西亚和阿富汗等亚洲国家遭遇了严重的洪灾，造成数百人丧生，数千人无家可归²。1998年至2017年间，全球受洪水影响的人口超过20亿人³。根据Marengo等人的研究，2013年至2022年间，巴西有超过220万所房屋受损，影响了2640个市镇中逾420万居民。洪水的持续发生是自然、社会和气候因素共同作用的结果，已造成约100亿美元的经济损失⁴。

近年来，由于此类事件的严重性和广泛风险日益加剧，研究人员和专业人士一直在寻求管理策略和新技术，以推动建设更具韧性的社区，同时推动产业向更高可持续性发展^5,6。在旨在提高抗灾能力的土木工程应用中，具有前景的材料之一是二氧化钛纳米颗粒（nanoTiO₂），其在混凝土等关键建筑材料中已展现出多种优势^7,8。

方案

所采用的方法学基础是巴西试验，该方法通过垂直加载圆柱形试件的直径方向截面来测定其间接抗拉（劈裂）强度。via该程序由Lobo Carneiro教授于1943年针对水泥基材料开发，其过程是在圆柱体上施加两个集中且直径相对的压缩力，从而在试件截面沿直径垂直方向产生均匀的拉应力⁶²。

该实验设置了五组，分别标记为 A、B、C、D 和 E，对应如下：对照组；掺入 1% NanoTiO₂ 的混凝土；掺入 2% NanoTiO₂ 的混凝土；掺入 1% NanoTiO₂ 并添加 2% 纳米 SiO₂ 的混凝土；以及掺入 2% NanoTiO₂ 并添加 2% 纳米 SiO₂ 的混凝土。₂；含3%纳米TiO₂的混凝土₂；以及添加了3%铜基塑化剂的混凝土。每组进一步分为三个养护时间亚组：7天（1）、14天（2）和28天（3）。因此，本研究共包含15个试件，标记为A1–A3、B1–B3、C1–C3、D1–D3和E1–E3。 图1 展示了本研究中使用的样本。

1. 样品制备

1. 使用普通硅酸盐CPII型水泥、碎石、中粗河砂和水，按1:2:3（水泥:砂:石子）的比例配制混凝土混合料，水灰比保持为0.5，制备四组试样。每个3.6....

结果

压缩强度试验中每个样品所获得的数值如表2和图3所示。表2列出了样品编号、养护时间以及以MPa为单位的最大承载荷载。在图2中，可以观察到压缩试验后部分样品的形貌。所记录的数值在图3中展示。

大量研究表明，将TiO₂掺入水泥基混合料中可提高混凝土的强度。特别是Nazari和Riahi证明，以TiO₂纳米颗粒替代水泥质量的4.0%以内时，抗压强度会增加⁵⁷；然而，当替代量超过水泥质量的5.0%时，抗压强度则低于含1.0%-3.0% TiO₂的混合物。作者将强度的提高归因于TiO₂纳米颗粒高反应活性导致在早期水化过程中快速消耗了结晶态Ca(OH)₂。TiO₂纳米颗粒起到.......

讨论

从图3所示的实验结果分析可知，含有铜基塑料添加剂的样品表现出最低的抗压强度，其数值低于未添加任何添加剂的对照组。此外，图3还显示，在养护28天后，试样在压缩试验中达到最佳性能。

压缩试验表明，添加纳米TiO₂可显著提高混凝土强度，尤其在2%浓度下效果最为明显，相较于基准样品，28天后强度提高了18.9%。该结果与Nazari和Riahi（2010年）的研究发现一致，他们将性能增强归因于纳米颗粒的纳米填充作用，该作用可降低孔隙率并细化孔结构。这一效应在养护14天和28天时尤为显著。就试件中所采用的铜基添加剂而言，TiO₂的表现优于铜基添加剂，其平均抗压强度比单独使用铜基添加剂时高出约3.1%。

根据百分比分析，1% 纳米TiO₂ 混合物（B组）表现出最佳性能，在28天时达到17.379 MPa，相比其7天强度提高了39.3%，比同龄期对照组高出3.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
混凝土试件	JCRB	Bloco 20	测试中使用了两个单位
分析天平	Shimadzu	ATX224R
抗压强度测试设备	SoloTest	1504100
减水剂添加剂	NovaTintas	NovaLiga
精密天平	Sartorius	3862 MP8-1
二氧化钛 R110	FRAC Chemical	FR10ZZ2400905RT	金红石型二氧化钛颜料
超声波清洗机	Cristófoli	2.5L