纳米工程化混凝土研究新进展
(1. 香港理工大学土木及环境工程学系, 香港 999077
2. 大连理工大学土木工程学院, 大连 116024
3. 奥胡斯大学土木与建筑工程系, 奥胡斯 8210
4. 哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院, 哈尔滨 150001
5. 华东交通大学土木建筑学院, 南昌 330013)
摘要: 混凝土是人类文明在地球上有形足迹的最明显表现之一, 其应用量大面广, 已成为世界上用量最大的人造工程材料。相对于其他工程材料, 混凝土的生产资源和能源消耗少、有害副产品少、环境损害小; 同时因其优异的抗压和耐疲劳等力学性能以及耐水和抗火性, 应用混凝土建造的基础设施具有高安全和耐久性以及维护少等优点, 因此混凝土是人类建造工程领域可持续发展的可靠选择且未来仍不可或缺的建筑材料。但混凝土固有缺点和现有性能不能很好满足人类未来生存空间的建造和拓展的要求, 而且大量混凝土的生产和使用对资源、能源和环境影响巨大。纳米科学与技术可从最基础层面理解和调控混凝土, 从而实现混凝土的 (超) 高性能化以及多功能/智能化, 进而为解决上述挑战并实现可持续发展注入动力。本文聚焦纳米工程化混凝土的增强/改性机理、制备与性能调控、性能和功能表征与工程应用三方面相关核心研究进展, 主要介绍包括纳米中心效应 (Nano-core effect) 、纳米中心效应区、纳米中心效应改善界面的迁移富集效应、纳米中心效应诱导的超硬水化硅酸钙凝胶相、纳米级孔结构特征等科学现象解释/原理探究, 纳米工程化混凝土的性能调控与大规模制备的先进技术探索 (如表面处理、自组装、原位生长等) , 以及纳米工程化混凝土性能拓展和土木、交通、市政、海洋、能源、军事等领域工程应用验证等方面获得的认识。
关键词: 混凝土, 纳米, 工程化, 机理, 调控, 工程应用
引用格式: 丁思齐, 王欣悦, 王佳亮, 等. 纳米工程化混凝土研究新进展[J]. 工程材料与结构, 2023, 2(4): 68-83.
文章类型: 综 述
收稿日期: 2023-08-07
接收日期: 2023-08-15
出版日期: 2023-12-28
0 引言
自1824年波特兰水泥(即硅酸盐水泥)被发明后混凝土得到广泛应用。根据《自然》杂志报道2020全球人造物总重超全球生物总重，其中混凝土占人造物比例为40%，世界混凝土年消耗量大于300亿吨，是人类文明在地球上有形足迹的最明显表现之一[1-4]。由于硅酸盐水泥性能优异且应用最为普遍，所以本文混凝土指硅酸盐水泥混凝土。另外，本文混凝土是一个广义的概念，包括不含骨料的水泥石、仅含细骨料的砂浆以及含有粗细骨料的混凝土。
相对于其他工程材料，混凝土的生产资源和能源消耗少、有害副产品少、环境损害小;同时因其优异的抗压和耐疲劳等力学性能以及耐水和抗火性能，应用混凝土建造的基础设施具有高安全和耐久性以及维护少等优点，而且混凝土廉价、制备原料易得以及制备简单，因此混凝土是人类在建造工程领域可持续发展的可靠选择且未来仍不可替代。但混凝土固有缺点和现有性能(主要用作结构材料)不能很好满足人类未来生存空间的建造和拓展需求，而且大量混凝土的生产和使用对资源、能源和环境韧性造成巨大冲击。因此，混凝土的可持续发展面临以下挑战:(1)水泥的大量生产和使用引起的环境问题(消耗大量资源和能源且产生大量环境足迹，如混凝土工业8%的全球碳排放主要来自水泥生产);(2)对自然资源(如河砂和淡水等)的过度消耗;(3)混凝土生产和使用中产生高能耗、粉尘和噪声污染;(4)低抗拉性能、性脆易裂且密度大;(5)恶劣、极端以及多因素耦合环境作用下的热力学介稳特性;(6)缺乏(多)功能和智能特性。以下策略有望应对上述挑战:(1)提高水泥的性能;(2)发展新型水泥或胶凝材料以及矿物以及化学外加剂;(3)使用替代性水泥基材料;(4)使用工业废弃物、可循环材料以及地域性天然资源(如海水、海砂等);(5)发展混凝土及其原材料的先进制造技术;(6)调控混凝土结构、提升混凝土的性能;(7)发展多功能/智能混凝土[2，5-11]。
纳米科学与技术可从最基础层面理解和调控混凝土，从而实现混凝土的(超)高性能化以及多功能/智能化，进而为应对上述挑战提供技术途径。纳米是一个尺度概念，即长度单位，一纳米是一米的十亿分之一。材料在纳米尺度其表面原子数量比例极大，一般占总原子数的50%，从而使其表现出奇异的物理和化学性能。所以，纳米科学与技术可以通过“小”和“少”引起混凝土结构和性能显著改变。此外，混凝土是一种多组分、多相和多尺度的复合材料，其最重要组成材料水泥的核心水化产物水化硅酸钙(C-S-H)凝胶具有纳米尺度特征，尺寸在几十纳米左右。因此，应用纳米科学和技术，即纳米工程化，有助于理解和调控混凝土的“基因”。纳米工程化混凝土包括两方面内容，一方面是纳米科学，即理解材料组成-工艺-结构-性能之间的关系，也就是核心原理;一方面是纳米技术，即调控材料结构和性能。此外，纳米工程化混凝土不仅是复合纳米填料(即在混凝土中掺加有效的纳米材料)，也包括在混凝土及其原材料制备中所采用的所有有效纳米技术(如表面处理、自组装、原位生长等)[12-17]。
纳米工程化混凝土大规模研究已有20年左右时间，研究者们取得了丰硕的研究成果。但主要存在以下问题:(1)纳米工程化混凝土增强与改性机理认识尚未明晰、完善以及统一，(2)纳米填料分散难限制复合效果和效率及纳米工程化混凝土的规模制备，(3)高性能与多功能纳米工程化混凝土的性能把握不够系统、全面和深入。因此，本文将针对上述科学问题展开的研究所获得的研究成果，主要包括纳米中心效应(Nano-core effect)、纳米中心效应区、纳米中心效应改善界面的迁移富集效应、纳米中心效应诱导的超硬水化硅酸钙凝胶相、纳米级孔结构特征等科学现象解释/原理探究，纳米工程化混凝土的性能调控与大规模制备的先进技术探索(如表面处理、自组装、原位生长等)，以及纳米工程化混凝土性能拓展和土木、交通、市政、海洋、能源、军事等领域工程应用验证等方面获得的认识。
1 纳米工程化混凝土的增强/改性机理
综合纳米填料对水泥石相和界面相(即界面过渡区，ITZ)以及新-旧混凝土和混凝土-增强筋界面的作用，纳米填料改变和调控混凝土性能的机制为纳米中心效应。纳米中心效应包括两个方面:纳米效应和中心效应。纳米效应包括纳米填料的小尺寸和高比表面积。由于纳米填料粒径小，小掺量的纳米填料即可在混凝土基体内部大量和广泛存在，为小掺量的纳米填料对混凝土性能产生显著影响奠定了基础。纳米填料的高比表面积使其处于热力学高能态，这有利于纳米填料对混凝土性能提升/改性。中心效应是以纳米填料特殊的物化性质为基础，以纳米填料为中心对混凝土的作用机制，包括本征效应、火山灰效应、成核效应和填充或结合效应。其中，本征效应包括:影响水化、优化水化产物、增加C-S-H凝胶密实性，吸附，减少原生裂纹和功能/智能效应。由于纳米中心效应，纳米填料会在混凝土基体中与水化产物共同形成纳米中心核-壳单元。此纳米中心核-壳单元即为纳米填料在混凝土基体中的作用范围。合适的纳米中心核-壳单元的数量和间距可高效率/效果改善/赋予混凝土性能/功能。而此纳米中心核-壳单元的数量和间距由纳米填料的种类、分散和数量等因素决定。以此纳米中心核-壳单元为基础，有望实现对纳米工程化混凝土宏观性能的设计/调控/预测(图1)[18]。
由纳米中心效应可知，纳米填料不仅可以改善混凝土中的水泥石相，也可以改善界面过渡区相。由于边壁效应的存在，新拌混凝土中较小的粒子会向骨料/旧混凝土/增强筋表面迁移，同时较大的粒子向远离骨料/旧混凝土/增强筋表面方向迁移，导致骨料表面出现尺度分离现象。此外，具有吸水性的骨料和旧混凝土会吸附新拌混凝土内部水分，导致纳米填料随水在固体颗粒间的空隙中迁移，即纳米迁移效应。在两种效应的共同作用下，纳米填料会在ITZ及新-旧混凝土和混凝土-增强筋界面内部形成富集区[19]。纳米填料在混凝土界面内的富集效应保证了ITZ中纳米填料的粒子数量，是纳米填料改善界面相的基础。基于此，纳米填料可优化界面区内部的水化产物并增加界面内部密实程度，从而改善混凝土内ITZ及新-旧混凝土和混凝土-增强筋界面间的粘结性能(图2)[20-23]。
图1 纳米工程化混凝土增强/改性机理[18]
Fig.1 Mechanism of enhancement/modification of nano-engineered concrete[18]
图2 纳米填料对混凝土-钢筋界面的增强/改性作用与机理[23]
Fig.2 Mechanism and effect of enhancement/modification of concrete-reinforcement interface by nanofillers[23]
由于纳米中心效应，水化产物会包裹纳米填料形成大量的纳米中心核-壳单元。从短程来看，吸附的水化产物内部存在一个力学性能优异的纳米中心，这改善了C-S-H凝胶内部基本单元的性能。从长程来看，纳米中心核-壳单元一方面通过其高模量提高了C-S-H凝胶的模量;另一方面，纳米中心核-壳单元增强了C-S-H凝胶内部的粒子间相互作用，提高了C-S-H凝胶的硬度。基于上述机制，传统混凝土内部C-S-H凝胶可通过纳米中心效应诱导产生新的超硬水化硅酸钙凝胶相。超硬水化硅酸钙的生成使得纳米填料可在不显著提高水泥水化程度的基础上，大幅提升混凝土内部水化产物的力学性能，从而实现在小掺量下大幅提升混凝土性能[24]。此外，纳米中心效应可诱导纳米级孔结构(纳米级孔隙尺寸主要分布在0.3~2.2nm及13.3~60.9nm之间，且占纳-微米级孔隙的90%以)生成，纳米填料可细化纳米级层间及凝胶孔且诱导孔隙转化(如碳纳米管可使C-S-H凝聚层间及凝胶孔径分别从0.34nm与2.17nm降至0.19nm及1.66nm，层间孔体积分数从46.4%增至51.2%)，引起C-S-H部分结构收缩变致密(凝胶内部孔隙尺寸降低，颗粒堆积密度提高)[25,26]。
2 纳米工程化混凝土的制备与性能调控
针对纳米填料分散难而影响其复合效果和效率以及纳米工程化混凝土的大规模制备问题，基于第2节所提出的增强/改性机理，采用表面处理、静电自组装及原位生长等方法可实现纳米工程化混凝土的力学、耐久及功能性的提升，具体介绍如下。
2.1 高性能包硅纳米氧化钛复合混凝土制备与性能调控
对混凝土具有良好力学和耐久增强及催化改性效果的纳米氧化钛进行氧化硅包覆在其表面形成Ti-O-Si键而带负电荷，进而通过电荷排斥作用提高分散性;同时，在保证纳米氧化钛与混凝土的复合效应的前提下，还可发挥包覆的氧化硅纳米薄层的火山灰效应，进而改善纳米氧化钛在混凝土中的分散性能以及其与纳米氧化硅的协同增强性能。氧化硅包覆纳米氧化钛可使混凝土抗折强度、冲击抗压强度、冲击韧性和疲劳强度分别提高87%/6.7MPa、29.6%/50MPa、113.3%和19.4%，复合材料氯离子迁移系数和单位面积磨损量仅为1.2×10-14 m2/s和0.43kg/m2(图3)[27-29]。
2.2 高性能镀镍碳纳米管复合混凝土制备与性能调控
对混凝土具有良好力学和耐久增强以及电学、感知和电磁性能改性效果的碳纳米管表面镀镍，以改善其与基体润湿性进而提高分散性;同时，包覆的纳米镍层也可通过纳米中心作用发挥钉扎效应，提高碳纳米管的复合效率。基于上述机制，0.03vol.%的镀镍碳纳米管可使超高性能混凝土抗压强度提高26.8%/23.0MPa、压缩韧性提高46.8%、抗弯强度提高33.5%/1.9MPa、弯曲韧性提高41.2%，冲击抗压强度提高43.0%/50.0MPa、冲击极限应变提高10.9%/10040με及冲击韧度提高39.8%(图4)[30,31]。
图3 氧化硅包覆纳米氧化钛(图中NSCT)对混凝土的力学增强机制与效果[27]
Fig.3 Mechanical enhancement mechanisms and effects of nano-SiO2-coated nano-TiO2 on concrete’s mechanical properties[27]
图4 镀镍碳纳米管(即图中Ni-CNT)对混凝土的力学增强机制与效果[31]
Fig.4 Mechanical enhancement mechanisms and effects of nickel-coated CNT on concrete’s mechanical properties[31]
2.3 多功能静电自组装纳米填料复合混凝土制备与性能调控
将碳纳米管与颗粒型填料通过静电组装成具有“葡萄串”结构的填料可解决纳米填料在混凝土中的分散问题并发挥填料的协同改性效果和形态效应，并进一步通过调整填料中组装单元特征同时基于体积排阻效应发展采用传统混凝土制备工艺大规模制备、低纳米填料掺量的多功能混凝土。静电自组装纳米填料改性混凝土的电导渗流区仅为0.14~0.45vol.%，电阻变化率和应变灵敏度最大值分别可达84%和704，电磁屏蔽效能提高2.4倍、吸波反射率最高可达-32.01dB(小于-10dB带宽可达2.48GHz)(图5)[32,33]。
2.4 多功能原位生长碳纳米管@水泥复合混凝土制备与性能调控
为解决碳纳米管在混凝土中分散难而影响其复合效果与效率以及复合材料难以大规模制备问题，基于化学气相沉积技术可将碳纳米管与混凝土制备的微米尺度水泥颗粒原位一步合成多尺度碳纳米管@水泥微纳填料，实现其生长-分散一体化、力学-耐久-功能增强效应的复合化。由于水泥颗粒中的铁相和硅相可作为碳纳米管原位生长的催化剂和催化剂载体，从而促进碳纳米管在水泥表面形成高负载、强结合、均匀分散的“鸟巢”结构(图6)。同时，碳纳米管@水泥微纳填料物相高温演化后可提高其比表面积并提供更多的水化产物成核位点，从而加速自感知混凝土早期水化进程。此外，碳纳米管@水泥微纳填料会诱导大量氢氧化钙晶体高度取向生成并减少C-S-H凝胶的形成，从而影响自感知混凝土后期强度的发展。基于上述机制，应用微纳填料所制备的自感知混凝土的应力灵敏度可达2.87%/MPa，应变灵敏度系数可达748，是目前所报道的自感知混凝土具有的最高应变灵敏度系数。同时，所研制的碳纳米管@水泥微纳填料复合自感知混凝土具有极其优异的感知重复性、稳定性和场景适应性，以及快速响应恢复速率等特点[34]。
图5 静电自组装纳米填料对混凝土的功能改性机理与效果[33]
Fig.5 Functional modification mechanisms and effects of electrostatically self-assembled nano fillers on concrete’s functions[33]
图6 碳纳米管@水泥微纳填料的原位生长和调控[34]
Fig.6 In-situ synthesizing and modulation of CNT@cement hierarchical fillers[34]
2.5 多功能原位生长碳纳米管@碳纤维复合混凝土制备与性能调控
基于碳纳米管的短程导电和碳纤维的长程导电的协同效应，通过化学气相沉积原位生长技术可将碳纳米管原位高浓度垂直排列在碳纤维表面以制备具有“树根”结构的多尺度碳纳米管@碳纤维微纳填料，从而将纳米填料分散问题转化为微米填料的分散问题，进而促进其在混凝土中分散的均匀性和稳定性并加强其与混凝土基体的界面结合。碳纳米管@碳纤维微纳填料可使混凝土抗压强度、抗折强度和弹性模量分别提高38.7MPa/35.0%、4.8MPa/87.1%和8.8GPa/31.9%。通过微观形貌观察表明碳纳米管@碳纤维微纳填料可通过促进部分水化产物渗透到碳纳米管@碳纤维微纳填料、密实碳纤维-水泥界面处孔隙结构、桥接纳米级裂缝以及荷载传递实现纤维/水泥基体界面粘结强度的有效增强。此外，碳纳米管@碳纤维微纳填料复合混凝土应力/应变灵敏度系数高达0.638%MPa-1/221.6，感知信号较碳纤维复合混凝土具有更高的线性度和信噪比(图7)[35]。
图7 碳纳米管@碳纤维微纳填料对自感知混凝土性能的改善效果与机制[35]
Fig.7 Modification effects and mechanisms of CNT@CF hierarchical filler on self-sensing concrete’s performance[35]
3 纳米工程化混凝土性能和功能表征与工程应用
3.1 纳米工程化混凝土动态力学性能
纳米工程化混凝土现阶段研究多集中于静态力学性能，基于纳米中心效应对混凝土水泥石及界面的增强作用可预测纳米复合对混凝土动态冲击性能改善比静态性能更为突出，试验结果表明:复合0.5 wt.%碳纳米管可使混凝土冲击抗压强度、峰值应变、韧度和耗散能分别提高76%/89MPa、101%/6590με、106%/3496.8kJ/m3和95%/3746.5kJ/m3，远高于3%掺量的毫米级纤维增强混凝土冲击抗压强度增长率(10—50%)及冲击韧度增长率(20—80%)，结合纳米工程化混凝土的应力应变关系可建立描述纳米工程化混凝土冲击压缩行为及预测冲击过程损伤发展的动态力学本构模型(图8)。此外，纳米复合可使混凝土的疲劳寿命、疲劳强度、破坏疲劳应变分别提高160%、30.6%、20.2%[36,37]。
3.2 纳米工程化混凝土与增强筋的粘结性能
除提高混凝土材料的静/动态力学性能外，复合纳米填料还可大幅提升混凝土材料的界面粘结性能。与普通混凝土相比，纳米工程化混凝土与旧混凝土、钢筋、FRP筋的粘结强度可提高39.0%、10.3%、37.7%。同时，复合纳米填料可使钢筋/FRP筋的极限粘结滑移和残余粘结滑移量降低56.5%/40.0%和52.1%/32.9%[20,23]。
3.3 自修复纳米工程化混凝土
纳米工程化混凝土中纳米填料高表面能引起的水吸附-脱附而伴生的自养护效应从而具有自修复性能，可防止混凝土开裂引起的抗力和耐久下降问题。具体而言，纳米填料的高表面能可引起混凝土内部C-S-H凝胶表面的水发生吸附-脱附演化，进而在混凝土内部提供自养护效应，促进胶凝材料的持续水化。此外，纳米填料的晶核效应可为水化产物提供成核位点，诱导水化产物在混凝土基体中形成新的增强网络结构，桥接微裂纹并诱导裂缝偏转。而部分纳米填料的高火山灰活性还可通过二次消耗氢氧化钙以增加水化产物数量，进而二次填充孔隙并细化微裂纹，实现混凝土对压缩以及弯曲荷载下的损伤自愈功能(如3.0wt.%的纳米二氧化硅可使混凝土的90d的压缩与弯曲自愈合系数分别提高至1.31及1.19，抗压与抗折强度增长率分别高达39.4%及33.7%)(图9)[38]。
图8 碳纳米管复合混凝土的冲击性能、机理与模型[38]
Fig.8 Impact performance，mechanism，and modeling of CNT-engineered concrete [38]
图9 自修复纳米超高性能混凝土的性能与机理
Fig.9 Properties and mechanisms of self-healing nano-engineered ultra-high-performance concrete
3.4 抗海水/污水微生物腐蚀纳米氧化钛混凝土
为克服污水管网及海洋环境中的混凝土微生物腐蚀及已有杀菌剂掺入导致混凝土力学性能以及耐久性能下降的问题，应用纳米氧化钛的杀菌作用并复合纳米氧化钛对混凝土力学和耐久性的增强作用可发展具有杀菌功能的超高性能混凝土。纳米氧化钛混凝土在高浓度强化污水中对微生物的抑制率和灭杀率可分别达81%和37%(已有报道最高分别为80%和26%)(图10)、在海洋环境中对微生物的抑制率和灭杀率可分别达97%(已有报道最高为66%)和77%。因此，将纳米氧化钛混凝土应用于海洋环境中有望降低海工混凝土由于表面海洋(微)生物富集而导致的生物污损，将纳米氧化钛混凝土应用于污水环境中有望延缓污水管道的腐蚀速率，提高污水管道的服役年限，降低结构的全寿命周期成本[39,40]。
3.5 静电自组装纳米填料复合增韧油井水泥石
为解决常规油井水泥石在复杂井下环境易产生裂缝与环隙及已有增韧材料与油井水泥相容性差且使用工序复杂的问题，应用静电自组装纳米填料可发展填料掺量低、稳定性高、流变性好、稠化时间可调且失水量小的纳米增韧油井水泥石，经某石油集团研究院有限公司检测，硬化水泥石具有低弹模和高极限抗压强度的特征，比常规油井水泥石分别降低2.3GPa/22.4%和增加11MPa/20.3%，已远满足非常规油气环境下水泥环工程性能要求(图11)[41]。
图10 用于污水系统的纳米二氧化钛混凝土的杀菌性能与机理[40]
Fig.10 Bactericidal performance and mechanisms of nano TiO2-engineered concrete for wastewater system[40]
图11 静电自组装纳米填料增韧油井水泥石的性能与机理[41]
Fig.11 Properties and mechanisms of electrostatically self-assembled nano fillers-engineered oil-well concrete[41]
3.6 基于自感知静电自组装纳米填料复合混凝土的结构健康监测
为克服外设传感器耐久性和相容性问题并实现结构的原位监测，应用自感知静电自组装纳米填料复合混凝土设计并集成了一个五层模型框架智能建筑结构系统，分析了不同测试频率下该智能结构系统动态响应过程的功率谱密度[42]。此外，根据不同温湿度条件对混凝土感知性能的影响规律和机制，采用基于贝叶斯盲源分离算法的感知性能特征信号提取方法可解决传感信号受混凝土材料内部极化、环境温湿度等因素耦合影响的问题。试验结果表明基于自感知混凝土的智能建筑结构系统用于结构模态识别和损伤探测具有可行性(图12和图13)[43]。
图12 基于自感知混凝土的框架结构模态识别和损伤探测[42]
Fig.12 Structural modal identification and damage detection for frame structures using self-sensing concrete[42]
图13 基于盲源分离的自感知混凝土感知信号提取方法[43]
Fig.13 Sensing signal extraction method for self-sensing concrete based on blind source separation method [43]
3.7 基于自感知原位生长碳纳米管@水泥复合混凝土的智能高铁轨道板
应用具有超高灵敏度和响应恢复速度的碳纳米管@水泥微纳填料自感知混凝土设计并集成了智能高铁轨道板探测系统，并在某高铁线上验证了该系统感知列车荷载作用的可行性。所构建的智能高铁轨道板探测系统具有灵敏度高、响应迅速、安装方便、成本低、与轨道板具有极好的相容性等优点，可实现车通过、车速、车流量、车道占有率、车重和车型等多种交通参数探测，在高铁基础设施结构评估和交通探测方面展现出了良好的应用前景(图14)[34]。
3.8 基于自感知原位生长碳纳米管@碳纤维复合混凝土的智能磁悬浮轨道梁
应用具有高灵敏度和高力学强度的碳纳米管@碳纤维微纳填料自感知混凝土设计并集成了智能磁悬浮轨道梁，验证了其在荷载作用下对裂缝产生和扩展原位监测的可行性。所构建的智能高铁轨道板探测系统感知信号和施加荷载之间具有良好的对应关系，可准确捕捉初裂纹出现和结构破坏等信息(图15)[35]。
图14 碳纳米管@水泥微纳填料复合自感知混凝土的智能高铁轨道板[34]
Fig.14 Smart high-speed railway track using CNT@cement-engineered self-sensing concrete [34]
图15 碳纳米管@碳纤维微纳填料复合自感知混凝土的智能磁悬浮轨梁[35]
Fig.15 Smart maglev girder using CNT@CF-engineered self-sensing concrete[35]
4 结语
纳米工程化混凝土具有可持续特征(包括高力学性能、高耐久、多功能/智能、易加工、低环境足迹、低全寿命周期成本等)，应用其有望提升基础设施的安全性、寿命、舒适性和韧性等方面。本论文主要介绍了纳米工程化混凝土的增强/改性机理、制备与性能调控、性能和功能表征与工程应用三方面的关键科学问题研究所获得的研究进展，明晰、完善和发展了纳米工程化混凝土增强/改性机理，提出了高性能与多功能纳米工程化混凝土的新型制备与性能调控方法，丰富了高性能与多功能纳米工程化混凝土的内涵和外延并研制出了多种面向具体工程应用和拓展混凝土工程应用范围的高性能与多功能纳米工程化混凝土。但是由于混凝土材料的复杂性，纳米工程化混凝土还有很多科学问题需要深入探讨以推动其工程应用。
利益冲突: 作者声明无利益冲突。
[①] *通讯作者 Corresponding author:韩宝国，hanbaoguo@dlut.edu.cn
收稿日期:2023-08-07; 录用日期:2023-08-15; 发表日期:2023-12-28
基金项目:国家自然科学基金项目(资助号:52308236、52368031、52308243)、中国博士后基金(资助号:2022M710973、2022M720648、2022M713497、2023M740881)、黑龙江省自然科学基金联合引导项目(资助号:LH2023E069)、江西省自然科学基金项目(资助号:20224BAB204067)资助。
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Latest Research Progress on Nano-Engineered Concrete
(1. Department of Civil and Environmental Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong 999077, China
2. School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
3. Department of Civil and Architectural Engineering, Aarhus University, Aarhus 8210, Denmark
4. College of Aerospace and Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
5. School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)
Abstract: As one of the most obvious manifestations of tangible footprint of human civilization on Earth, concrete is largely and widely applied, and has become the largest amount of man-made engineering material in the world. Compared with other engineering materials, concrete consumes less production resource and energy, has fewer harmful by-products, and causes less environmental impact. Additionally, due to its excellent mechanical properties, such as compressive strength and fatigue resistance, along with its water and fire resistance, the infrastructure constructed by applying concrete has the advantages of high safety, durability, and low maintenance. Consequently, concrete remains a reliable choice for sustainable development of the field of human construction and engineering and remains indispensable in the future. However, inherent shortcomings and current performance limitations of concrete do not meet the requirements for the construction and expansion of human living spaces in the future. Moreover, the production and use of large quantities of concrete have a significant impact on resources, energy, and environment. Nanoscience and nanotechnology can be used to understand and control concrete at its fundamental level, enabling the realization of (ultra) high-performance and multifunctional/smart concrete, which in turn can give impetus to addressing the aforementioned challenges and achieving sustainable development. This article focuses on three core research advancements related to enhancement/modification mechanisms, preparation and performance control, and performance and functionality characterization for engineering applications of nanoengineered concrete. It mainly introduces the explanation/principle investigation of scientific phenomena including nano-core effect, nano-core effect zone, nano-core effect-induced enrichment effect for interface enhancement, nano-core effect-induced ultrahigh-density calcium silicate gel, and nanoscale pore structure characteristics, the exploration of advanced technologies for performance modulation and large-scale preparation of nano-engineered concrete (e. g. , surface treatment, self-assembly, and in-situ growth techniques, etc. ) , as well as the understanding gained from the expansion of the properties of nanoengineered concrete and the validation of engineering applications in the fields of civil engineering, transportation, municipal, marine, energy, and military.
Keywords: Concrete, nano, engineered, mechanism, modulation, engineering applications
Citation: DING Siqi, WANG Xinyue, WANG Jialiang, et al. Latest research progress on nano-engineered concrete[J]. Engineering Materials and Structures, 2023, 2(4): 68-83.