综述：合成聚合物和纳米结构材料添加剂在工程水泥基材料中的应用：实现回收聚合物利用的可行途径

《Hybrid Advances》：Synthetic polymers and nanostructured materials additives for engineered cementitious materials: Plausible route for recycled polymer utilization

波特兰水泥通过掺入聚合物和纳米材料可显著提升性能并降低碳排放。聚合物作为增塑剂、空气 entrainer等改善工作性和耐久性，纳米材料如纳米二氧化硅、石墨烯氧化物等通过加速水化反应形成致密微观结构，增强力学性能和抗腐蚀能力。同时，利用再生塑料和工业废料替代部分胶凝材料，推动循环经济发展，但面临成本高、分散困难等问题。本文系统综述了材料机理、应用效果及挑战，为可持续水泥基材料设计提供理论支持。

　　在当今建筑行业，水泥作为一种关键的建筑材料，其应用范围广泛，但同时也带来了显著的环境负担。水泥的主要成分是熟料，其生产过程耗能巨大，导致全球二氧化碳排放量增加。为了解决这一问题，近年来的研究重点转向开发超高性能水泥体系，以减少熟料的使用并提升混凝土的强度和耐久性。在这一背景下，合成聚合物和纳米结构材料逐渐成为重要的添加剂，它们通过不同的方式改善水泥基材料的性能，从而推动可持续建筑的发展。

合成聚合物在水泥基材料中扮演着多重角色，包括超级塑化剂、气泡引入剂、吸附剂以及自修复剂的载体。这些聚合物在纳米尺度上能够改变水化动力学，提高裂缝抵抗能力，并增强长期耐久性。例如，超级塑化剂可以提高混凝土的流动性，减少所需的水量，从而实现更高的强度和更好的工作性能。此外，聚合物还可以作为载体，将自修复材料均匀分布于混凝土中，当裂缝出现时，这些材料可以迅速响应，形成密封层，防止有害物质的渗透。

纳米材料，如纳米二氧化硅、氧化石墨烯、碳纳米管、纳米氧化铝和纳米粘土，能够改善混凝土的微观结构和机械性能。它们的高表面积和纳米尺度特性使得它们能够与水泥基体产生复杂的相互作用，从而加速水化过程，形成更加均匀和致密的微观结构。这些纳米材料还可以作为额外的成核位点，促进水化产物的形成，从而提高混凝土的强度和耐久性。此外，纳米材料还能通过减少孔隙率，提升混凝土的抗渗性和抗冻融能力。

聚合物与纳米材料的结合，可以形成界面网络，进一步促进钙硅酸盐水合物（C-S-H）的均匀成核，从而形成无缺陷的基体结构。这种结合不仅提高了混凝土的性能，还为实现自修复和智能功能提供了可能。例如，纳米二氧化硅可以与C-S-H胶体反应，提高其致密性，从而增强混凝土的耐久性。然而，这些材料的高成本、回收材料的可变性、耐久性不确定性以及防火性能等问题，仍然是应用过程中需要克服的挑战。因此，通过多尺度建模、生命周期分析和大规模现场验证，可以进一步优化这些材料的使用，以确保其在实际工程中的可行性和可持续性。

除了材料性能的提升，聚合物和纳米材料的应用还与循环经济理念紧密相关。通过将废弃的聚合物材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和粉碎橡胶等，重新引入水泥基材料中，可以有效减少废弃物对环境的影响。经过表面改性后，这些材料可以作为微纤维或填料，提高混凝土的抗冻融能力、抗氯离子渗透性以及结构寿命。这一过程不仅实现了资源的再利用，还降低了对原始材料的需求，从而减轻了对自然资源的开采压力。

然而，尽管聚合物和纳米材料在提升混凝土性能方面展现出巨大潜力，它们的实际应用仍面临诸多挑战。例如，纳米材料的高成本和复杂的制造工艺限制了其在大规模应用中的可行性。此外，聚合物与水泥之间的相互作用可能导致水化过程的延迟，影响混凝土的早期强度发展。因此，为了最大化这些材料的性能，同时避免其潜在的负面影响，需要深入研究它们的化学和物理特性，并优化其在混凝土中的掺入比例和方法。

近年来，研究者们开始探索使用聚合物作为吸附剂，以调节混凝土的湿度，减少收缩和裂缝的形成。这些吸附材料能够吸收并保留大量的水分，从而在混凝土硬化过程中缓慢释放，提高其耐久性。例如，聚丙烯酸（PAA）和聚丙烯酸-丙烯酰胺（PAM）等材料已被广泛应用于水泥浆体中，作为内部养护剂。研究表明，这些材料能够显著降低混凝土的自收缩，并在一定程度上提高其强度。

此外，聚合物还被用作研磨助剂，以提高水泥研磨的效率，减少所需的能量。这些助剂通过与水泥颗粒表面的相互作用，降低表面能，促进颗粒的分散，从而提高水泥的细度和早期强度。然而，研磨助剂的使用需要精确的计算和控制，以避免影响混凝土的硬化时间和性能。随着技术的进步，新型聚合物研磨助剂的研发和应用正在不断推进，为水泥生产提供更环保和经济的解决方案。

在自修复混凝土领域，聚合物和纳米材料的结合展现出巨大的前景。通过将微生物、化学添加剂或聚合物引入混凝土中，可以实现裂缝的自动修复。例如，使用含有钙离子的聚合物作为载体，可以促进碳酸钙的形成，从而填补裂缝。同时，纳米材料如氧化铝纳米纤维可以提高混凝土的强度，减少裂缝的扩展。然而，自修复混凝土的开发仍面临技术与经济上的挑战，包括微生物的存活率、化学添加剂的精确控制以及大规模应用的成本问题。

在可持续建筑方面，聚合物和纳米材料的使用不仅有助于减少碳足迹，还能提升混凝土的性能。通过将工业副产品和废弃材料转化为补充水泥性材料（SCMs），可以部分替代熟料，降低混凝土的碳排放。例如，粉煤灰、高炉矿渣和硅灰等材料因其高活性和高细度，能够显著提高混凝土的强度和耐久性。同时，这些材料的使用还可以减少对天然资源的依赖，提高资源的利用效率。

总的来说，聚合物和纳米材料在水泥基材料中的应用，为实现可持续、高性能混凝土提供了新的思路。尽管存在成本、性能和可扩展性等挑战，但随着研究的深入和技术的进步，这些材料有望在未来成为建筑行业的重要组成部分。通过优化其在混凝土中的使用方式，并结合多尺度建模和生命周期分析，可以进一步提升这些材料的性能，同时确保其在实际工程中的可行性和环保性。未来的研究应着重于解决材料成本、稳定性以及大规模应用的可行性，以推动水泥基材料向更加环保和高效的方向发展。