納米材料在巖土與地質工程中應用研究進展

盧佩秋，鄒宜賢，諶煒才

（福建巖土工程勘察研究院有限公司，福建福州 350100)

隨著經濟的飛速發展，我國在巖土與地質工程領域的建設和發展規模也愈發龐大，在全國各地的工程需求也逐年提高，為了滿足新時代巖土與地質工程的應用，工程材料也趨于高性能、多功能和強適應性的發展方向［1］。為了提高材料的強度和性能，研究人員開發出了許多材料設計方法，出現了如纖維混雜合成材料、高分子合成材料和納米改性材料等，其中，由于納米材料自身性質對改性過程的適應性，可有效提高材料的性能，并賦予材料聲、光、電、磁等方面的特性，受到研究人員的重點關注［2］。在我國，目前市場常見的納米材料有納米CaCO3粉末、納米SiO2粉末等。

1 納米材料的定義及特性

由于納米材料的尺寸遠小于普通的宏觀粒子，在許多物理領域下（聲、光、電、磁等）都具有特殊的性質，研究人員一般將其歸納為四個效應［3］，分別為量子、介電、表面、體積效應。在工程應用領域中，通常也將由納米材料聚合得到的材料或主要由納米材料組成的材料統稱為“納米材料”，均具備一定的納米效應。典型的納米材料具備極高的比表面積和高表面能，是良好的化學反應的載體和催化劑，工程領域中一般將納米材料作為改性載體或催化劑應用［4］。

2 納米材料在巖土工程中的應用

2.1 納米改性混凝土

納米材料最為明顯的特征就是它的尺寸極小，對于球形粒子而言，隨著材料的粒徑慢慢變小，材料的比表面積呈現先增大后降低的過程。對水泥基材料而言，納米材料的高比表面積使其與混凝土的混合更為緊密，有效降低混凝土中的孔隙［5］。與此同時，由于納米材料的電子層處于不穩定的高能狀態，當納米材料與混凝土材料混合時，納米材料和混凝土材料的原子很容易進行配位結合，達到穩定的混合結構，提高其致密性和強度［6］。另一方面，納米材料的原子較為活潑，在受到外部應力的作用時，原子易在相互配位的結構中轉移，降低混凝土內部應力的作用同時會提升混凝土材料的延展性能［7］。

對于混凝土等水泥基材料而言，水解產生的C-S-H凝膠對其強度等性能的影響較大［8］。目前，研究人員對納米粒子增強混凝土強度的研究集中在三個方面：其一是納米粒子的尺寸較小，可作為填充物填補混凝土水化過程中產生的孔隙和空洞，從而避免了混凝土內部裂紋的起源［9］；其二則是將納米粒子對材料強度的提升歸結于納米材料的高表面能，認為納米材料的高表面能使得納米材料在混凝土與添加劑的混合過程中與早強劑、緩凝劑等成分反應，使混凝土的結構更為致密［10］；最后則是認為納米材料與C-S-H凝膠的交織形成的相對致密的網狀結構可以提高材料強度。唐明指出，納米SiOx粒子可以明顯增加C-S-H凝膠含量，并有效降低混凝土的結構缺陷［11］。在此基礎上，研究人員對不同納米材料在混凝土中的應用和作用機理進行了探究。王秀紅［12］對微硅粉增強纖維增強水泥中的研究中指出，微硅粉的混雜對水泥的抗凍融和抗反復濕熱能力也有明顯的提高。袁富榮［13］則表示納米氧化鋁對混凝土綜合性能提升較大。李固華［14］認為適量的納米 CaCO3粒子的混雜對早期氯離子的滲透有一定的防護作用。

2.2 納米改性粘土

粘土的種類較多，分布廣，含量大，是現代主要的建筑工程材料之一。納米材料對粘土的改性處理可以改變粘土的強度和變形率。王文軍［15］將納米硅粉混雜在粘土中，發現納米硅粉的摻雜對粘土的含水量沒有明顯的影響，然而可以有效增大土體的液限指數。他認為，納米硅粉在粘土中僅吸附在水分子表面，并與粘土顆粒膠結，起到增強土體抗壓強度的作用，并且，納米材料同樣可以填充在粘土的孔隙處，增強材料的致密性。

2.3 納米改性水泥土

水泥土是以少量水泥和細沙或沙壤土為主要原料，經過處理并壓制得到的板塊，再經過灑水和一段時間的養護后即可作為建筑材料使用。與混凝土相比，雖然水泥土在力學性能和耐久性上相差較大，但水泥土原材料的低廉和豐富使得經濟成本大大縮減［16］。

水泥土的力學性能限制了其在很多環境下的應用，因此，對水泥土進行改性處理提升其工程性能是十分有必要的。研究人員在許多方面做了探索，例如將納米SiO2外加劑加入可顯著提高了水泥土的抗壓強度［17］，納米Si對強度的提升及變形模量的改善等［18］。此外，納米粒子的摻雜并不都是對水泥土強度的正向增強，李剛［19］發現摻納米Al2O3對水泥土強度有正向增強效果，然而納米TiO2卻起到了相反的作用。研究人員對納米粒子增強水泥土的強度和改善材料失效的現象進行了總結，他們認為，影響水泥土力學性能的主要過程在于水泥土的固化過程。水泥土的固化是水泥的水化物與其他成分的膠結實現的，伴隨著沙土顆粒的粒子交換和二次水化。而納米材料的摻雜可以增強水泥水化物的膠結作用，并填充固化過程產生的孔隙，提高了材料的強度［20］。除力學性能的增強，曾慶軍［21］發現在酸性環境下納米硅粉和水泥水化產物的二次水化可以大幅度提高材料的抗腐蝕性能。

3 納米材料在地質工程中的應用

納米材料在地質工程中的研究起始于地質構造運動產生的巨大內應力對山體和地殼圈巖石和土壤破壞，研究人員提出巖石在滑動形成的斷層帶上會被應力磨損得到尺寸極小的顆粒，成為納米粒子地質層。后續的學說補充了這一觀點，并認為巖石在剪切摩擦的作用下產生摩擦粘性薄層帶［22］。在這種情況下，由于地質環境因素形成的巖溶、塌陷和地裂縫等現象毫無疑問影響工程的安全和穩定服役。所以，不僅需要在工程實施前進行全面、完全的地質探查，更需要對此類現象進行預防和補救，其中，注漿加固是最為常見和成熟的工藝之一。在此基礎上，注漿材料的力學性能就顯得尤為重要，針對注漿材料的改良和針對性提升性能是當前研究的重點。應用納米材料作為注漿材料的添加劑進行改性是其中熱點研究方向之一。陳勇剛［23］研發的XPM納米灌注材料可以實現快速膠凝，且強度實現了對傳統原雙漿材料的極大提升。此外，納米硅粉可以降低水泥漿材處理過程中的不均勻沉降問題，大大提升水泥漿材料的穩定性［24］。

除此之外，納米材料特殊的吸附特性使其還可以應用在地質工程中痕量元素的研究中，以碳納米管修飾的玻碳電極為例，在對樣品進行吸附富集后，以脈沖伏安法實現地質樣品中微量鉛含量的測定［25］。

4 納米改性材料的缺點

納米材料的特性的確使得其對巖土工程與地質工程應用材料的性能有較大的提升，并賦予了材料更多功能和應用空間，然而也正是納米材料的特性，會同樣給材料帶來負面效果。

(1)在納米改性混凝土材料中，納米材料的高表面能會加速混凝土和添加劑的混合，有效增大混凝土的致密性。然而納米材料自身具備的高表面能也使得納米材料易發生團聚現象，且會與許多添加劑反應，可能會導致納米粒子的失活。并且在混凝土的固化過程中，納米材料會加速碳化反應并影響混凝土的粘結性，并會成為混凝土內部裂紋的萌發位置。

(2)納米材料的超高比表面積和高表面能可以增強混凝土的致密性，但也會同時增強混凝土的粘結性，換而言之，納米材料的添加降低了混凝土的流動性，同時，納米粒子的分散問題也必然會使水的用量增大，為了避免水灰比過大導致混凝土強度的降低，需要在混凝土中添加減水劑等添加劑，而添加劑的使用除了會導致混凝土性能變化，也會和納米粒子相互反應，導致不可知的結果。

(3)納米材料會填充混凝土中的微小間隙，達到提高致密度的效果。但在特殊的場景如保溫體系、高溫高壓服役環境等應用時，過于致密的混凝土材料的導熱系數必然過高，無法達到有效的保溫效果，且過于致密的結構也會使其抗沖擊性能的下降，在外界能量的沖擊下產生裂紋源的概率大大增加。

(4)納米材料的成本較高，無法穩定大量生產。

5 結語

納米材料可以實現對巖土工程和地質工程材料力學性能的優化，實現材料的多功能化和力學性能的增強，提升納米改性材料的應用廣度和潛力，但納米材料在材料中的應用并不成熟，仍然具有很多問題，如分散性問題等，嚴重制約了納米復合材料的應用，此外，納米粒子改性對材料的增強機制也并未完全明晰，需要進行更多的研究工作。