【摘 要】
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随着城市化进程的推进,工程结构向着高强、耐久以及多功能的方向发展,这要求进一步提升现有土木工程材料的性能。纳米材料由于小尺寸效应、表面效应以及量子隧道效应而具有独特的物理和化学性能,为研制多功能水泥基材料提供了新的途径。纳米二氧化钛（nano TiO2,NT）是一种具有优异力学性能、电磁波屏蔽与吸收性能、抗菌性能、强氧化还原性能、耐酸碱腐蚀性能的纳米材料,将其与水泥基材料复合有望发展兼具优异结构性
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（51978127,51908103和51578110）； 国家留学基金委公派留学基金（201806060020）； 国家自然科学基金海外及港澳学者合作研究基金（51428801）； 科技部国家重点研发计划项目（2018YFC0705601和2017YFC07034
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随着城市化进程的推进,工程结构向着高强、耐久以及多功能的方向发展,这要求进一步提升现有土木工程材料的性能。纳米材料由于小尺寸效应、表面效应以及量子隧道效应而具有独特的物理和化学性能,为研制多功能水泥基材料提供了新的途径。纳米二氧化钛（nano TiO2,NT）是一种具有优异力学性能、电磁波屏蔽与吸收性能、抗菌性能、强氧化还原性能、耐酸碱腐蚀性能的纳米材料,将其与水泥基材料复合有望发展兼具优异结构性能和功能/智能特性的多功能水泥基材料。但目前不同种类的NT对水泥基材料力学性能、电磁波屏蔽与吸收性能的影响规律和改性机理还不明确;NT在水泥基材料中的分散性能还有待于进一步改善以提高其复合效率;NT的抗菌性能有望降低水泥基材料在污水和海水中受到的微生物侵蚀,在提高水泥基材料抗污水和海水侵蚀性能方面具有潜在的应用前景。因此,本文围绕不同种类的NT复合水泥基材料的力学性能、电磁波屏蔽与吸收性能、抗污水与海水侵蚀性能及相应改性机理开展了系统研究。主要研究内容和结论如下:（1）研究了未进行表面处理NT的晶相、粒径和掺量对水泥基材料力学性能的影响规律;通过微粒级配模型计算了 NT复合水泥基材料的密实度,并结合微观测试方法探讨了 NT对水泥基材料的增强机理。研究结果表明:NT可以提高水泥基材料的抗折强度、抗压强度以及抗折强度与抗压强度比（折压比）;金红石相NT对水泥基材料的增强效果优于锐钛相NT;对于同种晶相的NT,粒径越小越有利于提高水泥基材料的力学性能;当NT掺量超过2.32%时,NT的团聚会影响其对水泥基材料力学性能的增强作用;NT对水泥基材料的增强机理主要包括填充效应、成核效应、三维网络约束效应和自养护效应。（2）为提高NT在水泥基材料中的分散性能和复合效率,选用表面氧化硅包覆处理的NT（NSCT）制备了 NSCT复合水泥基材料;研究了 NSCT复合水泥基材料的力学性能,并从水泥基材料的水化率、水化产物性质以及微观结构等多个方面系统研究了 NSCT对水泥基材料力学性能的增强机理。研究结果表明:对NT进行氧化硅包覆有利于提高水泥基材料的力学性能;在28天龄期时,水泥基材料的抗折强度和折压比分别提高87.00%/6.69 MPa和69.56%;NSCT表面的Ti-O-Si化学键使其带有负电,可以通过电荷排斥作用提高其在水泥基材料中的分散性能;NT表面包覆的氧化硅薄层可以与氢氧化钙发生火山灰反应,增大NT与水泥水化产物的结合力,从而大幅提高NT与水泥基材料的复合效率。此外,NSCT可以提高C-S-H凝胶中[SiO4]4-的聚合度和链长,细化氢氧化钙的尺寸,降低氢氧化钙的取向度,改善水泥基材料的微观结构。（3）研究了不同种类的NT对水泥基材料电磁波屏蔽与吸收性能的影响规律,并通过水泥基材料的电磁参数分析了NT的晶相、粒径、特殊结构和表面处理对水泥基材料电磁波屏蔽与吸收性能的改性机理。研究结果表明:NT可以提高反射损耗在透射损耗、吸收损耗和反射损耗中所占的比例,进而提高水泥基材料的电磁波屏蔽性能;NT的晶相、尺寸和表面处理对水泥基材料电磁波屏蔽性能的影响差别不大;NT可以增加水泥基材料在电场作用下的极化所产生的损耗,进而提高水泥基材料的电磁波吸收性能;NT复合水泥基材料的反射率可达-29.29 dB,比未复合NT的水泥基材料增大242.97%;进行表面包覆处理可以提高NT的介电损耗与分散性能,并导致界面极化和多重散射,有利于提高水泥基材料的电磁波吸收性能。（4）将NT复合水泥基材料放入到高浓度强化污水中,并分别从抗污水物理侵蚀、生物侵蚀和化学侵蚀性能三个方面研究了 NT复合水泥基材料抗污水侵蚀性能。研究结果表明:污水中的微生物（如硫杆菌和硫酸盐还原菌）代谢产生的生物酸会与水泥基材料发生反应生成钙矾石和石膏,降低水泥基材料的pH值,分解C-S-H凝胶生成无凝胶能力的硅灰石膏,降低水泥浆体与骨料之间粘结强度,最终导致水泥基材料强度劣化、质量损失、表观密度下降以及表面粗糙度增大;NT复合水泥基材料对其表面微生物的抑制率和灭杀率可以达到80.93%和37.35%,可以有效减少污水中的微生物对水泥基材料的侵蚀,提高水泥基材料抗污水侵蚀性能。（5）将NT复合水泥基材料放入到海洋环境中,并分别从抗海水物理侵蚀、生物侵蚀和化学侵蚀性能三个方面研究了 NT复合水泥基材料抗海水侵蚀性能。研究了 NT复合水泥基材料抗海水侵蚀性能。研究结果表明:海水对材料抗折强度及抗压强度的侵蚀系数分别在-0.035～0.046和-0.012～0.074范围内,并且由于NT可以诱导C-S-H凝胶层间水与内部孔隙水的转化,促进C-S-H的二次断裂,使材料在海水中具有一定的自愈合能力;材料的收缩系数和密度变化率分别在-0.016～0.007和-0.025～0.048范围内;NT复合水泥基材料对其表面微生物的抑制率和灭杀率分别达到96.81%和76.98%,其表面生物膜厚度可以降低29.66μm/49.13%;NT填料可以使海水中C1-离子的渗入量降低81.00%,并促进C-S-H凝胶脱钙,增大C-S-H凝胶的聚合度和链长;此外,NT填料可以改善骨料与水泥浆体的界面过渡区,细化材料内部孔结构,提高水泥基材料抗海水侵蚀性能。
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