納米材料在巖土與地質(zhì)工程中應(yīng)用研究進(jìn)展

■余倩

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心云南總隊(duì) 云南昆明650118）

納米材料在巖土與地質(zhì)工程中應(yīng)用研究進(jìn)展

■余倩

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心云南總隊(duì) 云南昆明650118）

隨著地質(zhì)與巖土工程的快速發(fā)展，各種新型材料的研發(fā)與應(yīng)用，對(duì)其工程特性進(jìn)行改善已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)重點(diǎn)研究的問(wèn)題之一，作為一種新型材料，納米材料與傳統(tǒng)材料相比具有很多性能，鑒于此，本文主要針對(duì)納米材料近年來(lái)在巖土及地質(zhì)工程中的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析，希望可以為同行的研究帶來(lái)一些參考。

納米材料巖土與地質(zhì)工程應(yīng)用研究

近年來(lái)隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，巖土與地質(zhì)工程建設(shè)的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，急需新型的建筑材料來(lái)滿足不斷增長(zhǎng)的工程需求，這種條件下納米材料憑借其特有的性質(zhì)吸引了廣大科研工作者及技術(shù)人員的關(guān)注。為此，對(duì)近年來(lái)巖土與地質(zhì)工程領(lǐng)域中納米材料應(yīng)用的最新研究進(jìn)展進(jìn)行分析具有非常重要的意義。

1　巖土工程中應(yīng)用納米材料的研究

1.1水泥土

目前水泥土在交通、建筑等領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)人員對(duì)納米材料在水泥土改性中的應(yīng)用展開(kāi)了相關(guān)研究。例如王立峰等人（2002）針對(duì)納米硅基氧化物作為水泥土外加劑展開(kāi)了一系列的試驗(yàn)，具體探討了納米水泥土抗壓強(qiáng)度的影響因素，還提出了納米硅基氧化物可以使復(fù)合納米材料水泥土的抗壓強(qiáng)度得到顯著提高；李剛等人（2003）發(fā)現(xiàn)了在水泥土中摻入納米材料A1203可以有效提高其強(qiáng)度，而摻入納米材料Ti02將會(huì)大大降低水泥土的強(qiáng)度；曾慶軍等人（2007）對(duì)納米硅粉水泥土的抗腐蝕性能進(jìn)行了分析，還提出了硫酸鹽腐蝕環(huán)境將會(huì)大大家督水泥水化產(chǎn)物與納米硅粉之間的二次水化反應(yīng)，從而使水泥土的強(qiáng)度得到提高，增強(qiáng)水泥土的抗腐蝕性能。

1.2混凝土

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，目前混凝土工程逐漸朝著大型化的方向發(fā)展，人們對(duì)混凝土材料提出了更多的要求，必須具有非常高的耐久性，高性能混凝土成為未來(lái)混凝土材料發(fā)展的重點(diǎn)方向，納米纖維材料的出現(xiàn)改變了原來(lái)體系顆粒級(jí)配及二級(jí)界面顯微結(jié)構(gòu)，密實(shí)度也大大增加，天然納米纖維材料可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。杜應(yīng)吉等人（2005）對(duì)納米微粉的微粒性和高化學(xué)活性進(jìn)行充分利用，展開(kāi)了有關(guān)混凝土耐久性的試驗(yàn)，研制出了新的混凝土改性劑，如果摻入納米微粉的量在1~3g/kg之間，混凝土抗?jié)B等級(jí)和抗凍等級(jí)將會(huì)分別提高30%和50%；仲曉林等人（2006）對(duì)納米粘土材料對(duì)混凝土水化作用的機(jī)理進(jìn)行了分析和研究，在混凝土中摻入一定量的納米粘土可以使其水化流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度以及抗凍融性得到提高。

1.3土

王文軍等人（2004）針對(duì)粘性土和納米硅粉的作用展開(kāi)了分析，試驗(yàn)表明納米硅粉對(duì)土含水率的影響不顯著，但是可以明顯提高土的液限指數(shù)和抗壓強(qiáng)度，其加固機(jī)理主要在于納米硅粉可以吸附水分子、對(duì)土顆粒起到膠結(jié)作用、對(duì)空隙起到坡充作用等。宋杰等人（2010）年對(duì)納米材料對(duì)土的抗壓強(qiáng)度影響展開(kāi)了討論，如果家督相同含量不同類(lèi)型的納米材料，土體在達(dá)到最大軸向應(yīng)變之前，會(huì)出現(xiàn)相同的變形，這時(shí)需要壓力的大小分別為土、納米（A1203、ZnO、Si02），而加入的納米如果為1.5%的納米Si02，土的抗壓強(qiáng)度將會(huì)達(dá)到最大程度。

2　地質(zhì)工程中應(yīng)用納米材料的研究

唐孝威等人（1991）年針對(duì)納米地質(zhì)與天文進(jìn)行了一系列研究，他們認(rèn)為比較大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中往往會(huì)出現(xiàn)巨大的應(yīng)力，巖石在滑動(dòng)形成的斷層帶上被磨的非常細(xì)小，進(jìn)而形成了納米粒級(jí)的微粒，這些巖化物質(zhì)可以為我們提供很多與斷裂帶內(nèi)部相關(guān)的信息；孫巖等人（2008）提出了有關(guān)巖石中納米粒子層成因的不同觀點(diǎn)，他們更加傾向于剪切和摩擦產(chǎn)生的作用。王焰新（2011）主要對(duì)地質(zhì)儲(chǔ)存納米尺度流體二氧化碳的重要性進(jìn)行了闡述，并針對(duì)影響二氧化碳儲(chǔ)存容量、灌注效率及儲(chǔ)存安全性的因素進(jìn)行了分析，并將其應(yīng)用于相關(guān)技術(shù)研究中。

因?yàn)槭艿降刭|(zhì)因素的影響，往往會(huì)出現(xiàn)巖溶土洞、地面塌陷等一系列問(wèn)題，而這些問(wèn)題的出現(xiàn)會(huì)對(duì)工程安全性產(chǎn)生非常大的威脅，因此，不僅要將不良地質(zhì)現(xiàn)象的類(lèi)型、活動(dòng)性以及影響因素等查清楚，同時(shí)還要及時(shí)采取相應(yīng)的防治措施。注漿加固除險(xiǎn)是對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行解決的有效對(duì)策，將納米材料作為一種添加劑改性注漿材料使用，陳蘭云等人（2010）具體對(duì)聚硅納米材料的增注機(jī)理進(jìn)行了分析，并展開(kāi)多種室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)納米材料的增注效果進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種材料對(duì)于巖心滲透率的提高具有非常明顯的效果，同時(shí)還能使巖心的潤(rùn)濕性得到改變，從而大大降低水相流動(dòng)阻力，真正起到降壓增注的效果。陳勇剛等人（2010）大膽的在井巷工程中應(yīng)用XPM納米灌注材料，他們認(rèn)為將這種納米材料加入其中可以提前膠凝時(shí)間，而試驗(yàn)結(jié)果也正是如此，膠凝時(shí)間提前了3~5天，強(qiáng)度也得到了極大的提高。

目前地質(zhì)領(lǐng)域中已經(jīng)開(kāi)始廣泛使用納米材料，這主要是因?yàn)榧{米材料特殊的吸附特性，具體來(lái)說(shuō)在地質(zhì)樣品中痕量元素的富集與分離、資源的綜合利用以及礦產(chǎn)資料的開(kāi)采利用中已經(jīng)得到了使用，使用最為廣泛的材料有納米氧化鋯、納米二氧化鈦以及碳納米管等納米材料。

3　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在巖土工程中應(yīng)用納米材料可以顯著改善材料顆粒微級(jí)配，在水化初期作為結(jié)晶核使用可以明顯提升早期速度，對(duì)材料的微觀孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，同時(shí)對(duì)骨料和漿體之間的過(guò)渡區(qū)進(jìn)行改善等等，目前納米材料在天然土中的應(yīng)用尚處于初期階段，很多作用機(jī)理等問(wèn)題尚需要進(jìn)一步研究，這些都對(duì)納米材料在地質(zhì)工程及巖土工程中應(yīng)用起到了限制作用，目前我們還需要對(duì)納米材料在地質(zhì)及巖土等工程中的應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，并進(jìn)一步掌握納米材料的機(jī)理、性能等，這樣才能更好的將其應(yīng)用于更加廣闊的領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)納米材料的應(yīng)用價(jià)值。

[1]高磊,陳暉東,余湘娟,周斌.巖土與地質(zhì)工程中分布式光纖傳感技術(shù)研究進(jìn)展 [J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2013,（2）:93-99.

[2]柴敬,張丁丁,李毅.光纖傳感技術(shù)在巖土與地質(zhì)工程中的應(yīng)用研究進(jìn)展 [J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,（3）:28-37.

[3]盛國(guó)棟,楊世通,郭志強(qiáng),孫玉兵,譚小麗,陳長(zhǎng)倫,邵大冬,王祥科.納米材料和納米技術(shù)在核廢料處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展 [J].核化學(xué)與放射化學(xué),2012,（6）:321-330.

P621[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-54-1