纳米工程水泥基材料（NECMs）的最新研究综述

《Journal of Building Engineering》：State-of-the-Art review of Nano-engineered Cementitious Materials (NECMs)

纳米工程水泥基材料（NECMs）作为下一代建筑材料，通过纳米材料改性提升机械性能、耐久性和多功能性，但其从实验室到规模化应用仍面临生产成本、纳米材料分散稳定性及工程适配性等挑战。本文系统综述了NECMs的合成技术、水化机制、微观结构调控及工程应用案例，为学术研究与实践推广提供理论依据与实践指导。

　　

王新明|何创|董素芬|王丹|孔德宇|程宇|胡传林|赵皮琪|李秦飞|陈恒|王洋洋|朱建平|胡杰|韩宝国|钟静|侯鹏坤|邢成|苏伦德拉·P·沙阿

中国济南大学山东省绿色与智能建筑材料重点实验室，济南，250022

摘要

纳米工程水泥基材料（NECMs）结合了优异的机械性能、增强的耐久性和多功能性，被视为下一代基础设施材料。然而，从实验室规模的研究到工业规模的实施之间仍存在相当大的差距。本综述旨在全面了解NECMs的性能，以阐明其实际应用的潜力。首先，系统地回顾了纳米材料的制备和分散过程，这些过程主要决定了NECMs的成本和工业可行性。随后，分析并总结了NECMs在水化动力学、微观结构、机械性能、耐久性和功能方面的研究进展。此外，还介绍了NECMs在结构、工业和大规模应用中的典型案例，以展示其发展前景。通过对NECMs的全面评估，本综述旨在为学术研究和实际应用提供有价值的见解，促进其在现代建筑中的可持续和大规模应用。

引言

由于原材料的可获得性和显著的耐久性，水泥基材料在建筑中得到广泛使用，但其生产面临严重的环境挑战^[1]。根据国际能源署（IEA）的《水泥技术路线图》，全球水泥年产量达到41亿吨，并预计到2050年增长12%-23%。这占全球原材料消耗量的大约50%（420亿吨/年）、能源消耗量的5%以及工业用水量的9%（每吨熟料500升）。更值得注意的是，水泥和混凝土的生产导致了大量的二氧化碳排放，2023年排放了15.6亿吨二氧化碳，约占全球总排放量的8%。解决水泥生产的碳足迹对于实现全球气候目标至关重要。

为了满足对环保建筑材料的需求，开发先进的水泥基材料并减少水泥消耗推动了水泥和混凝土向下一代的发展。在过去200年里，每一次水泥基材料的进步都伴随着水泥性能的提升。从石灰基粘合剂到波特兰水泥，从普通混凝土到钢筋混凝土，再到高性能混凝土和高流动性混凝土，每一次进步都伴随着水泥设计、煅烧、活化以及工程规模生产技术的创新。其中，微观结构的优化一直是水泥基材料发展的主要焦点。从20世纪80年代开始应用微米级辅助水泥基材料（SCMs），发展出无宏观缺陷（MDF）的水泥基材料，混凝土的强度和耐久性得到了显著提高。近年来，纳米技术的进步使得纳米材料能够被整合到水泥基材料中，为下一代建筑材料铺平了道路。全球关于纳米工程水泥基材料（NECMs）的研究论文如图1所示。值得注意的是，中国贡献了全球NECMs论文的四分之一。

纳米工程水泥基材料的引入提高了其机械性能和耐久性，甚至赋予了多功能性，从而减轻了与水泥生产相关的环境问题，并探索了传统结构材料的未来应用。例如，添加纳米SiO₂可以使抗压强度提高5%-20%，从而减少20%-30%的水泥用量^[2]。通过添加纳米TiO₂可以开发出光催化NECMs，并通过自清洁功能保持表面清洁^[3]。同时，碳纳米材料改性的水泥基材料具有压电特性，可以实现实时结构健康监测的自感知功能^[4]。此外，随着纳米材料生产和水泥基材料制造技术的进步，NECMs已逐渐从实验室研究过渡到实际应用，如图2所示。当前的工程项目有效证明了NECMs的潜在适用性和前景，预计它们将成为新一代建筑材料。

许多障碍阻碍了NECMs的大规模制备。Rashad发表了一系列综合综述，研究了各种纳米材料（ZnO₂、ZrO₂、Cu₂O₃、SCMs等）对波特兰水泥和碱激活系统的影响[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。这些研究系统总结了纳米材料对水泥基材料的水化、工作性、机械性能和耐久性的影响，为NECMs领域的研究人员提供了宝贵的指导。然而，随着NECMs从实验室研究向工程应用的转变，关键挑战已从性能展示转向实际可行性。

主要挑战涉及纳米材料的制备和分散。鉴于全球每年水泥消耗量超过40亿吨，纳米材料需要具有成本效益、可扩展性和稳定性，以满足工业需求。同时，纳米材料的均匀分散是实现NECMs优异机械性能和多功能性的前提。如何以低成本和高效率分散纳米材料，对NECMs的潜在工业应用具有重要影响。此外，NECMs的机械性能、功能特性和实际工程应用场景需要精心设计和优化。解决这些在已发表综述中未全面讨论的挑战，对于充分发挥NECMs在可持续建筑中的潜力至关重要。

本综述采用了一种独特的视角，将机理理解、比较评估和实际应用考虑整合到一个统一的框架中。除了简单地报告强度或耐久性的提升外，本综述还批判性地分析了在不同分散状态、剂量范围和固化条件下某些纳米材料成功或失败的根本机制，以及实验室层面的改进如何转化为实际混凝土系统。通过系统比较常用的纳米材料（包括纳米SiO₂^[12]、纳米TiO₂^[13]、纳米CaCO₃^[14]、碳纳米管（CNT）^[15]、氧化石墨烯（GO）^[16]、碳点（CDs）^[17]等在有效性、局限性、可扩展性、成本和可持续性方面的表现，本综述提供了当前NECMs研究的全面总结，为研究人员提供了见解，并促进了NECMs在现代建筑中的可持续和大规模应用。

生产技术

纳米材料的生产涵盖了物理学、化学、生物学、材料科学和工程学领域，其成功依赖于学术界和工业界的紧密合作^[18]。选择适当的方法，结合这些纳米材料的合成、所需的性能、有限的杂质和适当的成本，对于潜在的工业生产非常重要。

水泥基材料的纳米材料可扩展生产

NECMs的水化特性

水泥水化是一个多组分过程，包括耦合的溶解-沉淀反应和物理化学转变，最终形成水化水泥浆体，直接影响机械性能和耐久性的发展^[75]。纳米材料的增强归因于其在水泥水化过程中的调节作用，包括物理成核效应和化学火山灰效应，这些效应影响了

孔结构

微观结构反映了水泥骨架的框架，而孔结构是水泥基材料机械性能和耐久性的关键因素。纳米材料的加入可以通过成核和火山灰效应改善NECMs的孔结构。纳米SiO₂表现出强烈的结晶成核效应，可以有效促进水化产物的形成并改善孔结构。Singh等人研究了纳米SiO₂

机械性能

在纳米材料适当分散的情况下，许多研究发现，混凝土基体中的纳米材料可以显著提高机械性能。随着纳米材料用量的增加（0.05 wt.%-1.1 wt.%），NECMs的抗压强度和抗弯强度可以提高1-10%，具体取决于纳米材料的类型，如图10所示。其中，大多数纳米材料可以发挥成核作用，一些纳米材料的活性成分可以

NECMs的功能性

NECMs的独特优势在于其多功能性，这将成为未来发展的主导趋势。这种向多功能水泥基材料的转变与对集成结构性能、智能、适应性和可持续功能的高级建筑技术的日益增长的需求相一致。

NECMs的应用

NECMs展现出许多优势性能，越来越多的研究人员报告了它们的实际应用，包括纳米SiO₂、纳米TiO₂和纳米粘土。这些应用涵盖了功能、结构和工业类别，将在后续章节中介绍。

挑战与未来展望

纳米工程水泥基材料（NECMs）已经开发了二十多年，兼具优异的机械性能和多功能性。尽管NECMs具有显著优势，但仍存在一些阻碍其广泛应用的挑战。

(1)

纳米工程水泥基材料从实验室研究向大规模工程应用的转变仍然是一个挑战。纳米材料的合成和分散是一个

结论

纳米工程水泥基材料（NECMs）作为下一代基础设施材料出现，结合了结构坚固性和多功能性。本研究对添加了纳米材料（包括纳米SiO₂、纳米TiO₂、纳米CaCO₃、碳纳米管、氧化石墨烯和碳点）的水泥基材料进行了全面回顾，涵盖了合成技术、分散方法及其对水泥基材料宏观和微观性能的影响。

CRediT作者贡献声明

朱建平：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。王新明：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，调查，形式分析，概念化。王洋洋：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。陈恒：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。李秦飞：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。赵皮琪：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。苏伦德拉·P·沙阿：撰写——审阅

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金区域创新与发展联合基金（U22A20126）的支持。该项目还得到了国际先进水泥基材料公司111项目（编号D17001）的支持，特此致谢。