納米材料在土木工程中的應用與發展前景

那艷明

（北京建工四建工程建設有限公司，北京 100075）

在材料學科范圍內，結構一般是具有多尺度的，包括原子、分子、晶體以及宏觀結構等。所謂納米材料，是從反映材料外觀尺度的特征出發進行定義的，即當材料中的某一物質或由該物質組成的單元有一維的尺度在1~100 nm之間時，便定義其為納米材料。研究表明，當一種物質的尺度開始屬于納米范圍時，其特定的一些性能將會產生明顯變化。因此，納米材料的基本特征既包括外觀方面的納米尺度，也有在性能方面區別于普通材料的反常規化或特殊性[1-2]。

而隨著現代化土木工程建設項目的推進，實施規模、周邊環境以及工況條件等日趨嚴苛，對建設中的應用材料提出了越來越高的要求，傳統建筑材料逐漸顯現出一定的弊端，因此亟需新型的高性能材料來滿足特定的工程需求。納米材料擁有普通材料難以具備的特異性能[3-4]，能有效契合一定實施條件下的應用需求，且通過相關學者的研究，已經積累了不少成果。鑒于此，本文著重對近些年的納米材料研究或應用情況進行總結闡述，并從水泥基材料、水泥土、混凝土等方面出發，總結常見納米材料，如納米尺度的硅粉、二氧化硅及碳酸鈣等在土木工程材料改性領域中的研究情況，分析納米改性復合材料的力學性能、抗裂性能和耐腐蝕性能等的變化規律，并指出了納米材料存在的問題與發展前景。

1 納米材料在土木工程中的應用

在土木工程領域實踐中，納米材料由于其較高的成本以及高密度特性，難以直接作為建筑材料或功能材料進行應用，故而大多是將納米材料摻入至傳統建材中制備成為新型復合材料，并通過納米材料的改性實現傳統材料某些特定性能的提高，實現更好的工程運用。

1.1 納米材料在水泥基材料中的應用

對于水泥基材料，早期的研究表明，約有70%的水泥水化產物均具有納米尺度[5]，其中包括C-S-H凝膠、毛細孔、凝膠孔以及晶體水化物等，這些納米尺度的物質能充分封堵水泥漿體孔隙，提升漿體的密實程度。該現象也是納米改性水泥基復合材料的理論依據。同時納米材料的摻入能明顯提升比表面積、表面能以及需水量等，影響水泥基材料的水化過程和產物，并決定了最終的強度和耐久性。

陽知乾等[6]將納米SiO2摻入至聚丙烯纖維中制備獲得改性纖維，并對該改性纖維的分散性、抗裂性等進行研究，同時分析了改性纖維在砂漿和混凝土中的應用情況。結果表明，改性纖維的力學性能優良，納米SiO2在纖維表面分布均勻，大幅提升了纖維的抗裂性，且一定程度上也提高了纖維增強砂漿和混凝土的抗折和抗壓強度。馬保國等[7]將納米SiO2摻入至硫鋁酸鹽水泥中，研究發現改性水泥砂漿的初始強度顯著增大，相比未加入納米材料的對照組，改性組在56天后的抗折強度提升了約65%，并從微觀層面分析揭示了納米SiO2對于強度作用的影響機理。王瑤等[8]研究了新型納米碳材料氧化石墨烯（GO）對水泥水化產物的聚集態影響，通過對不同GO摻量的水泥漿體進行自收縮測試，分析表明GO能促進水泥漿體內部大毛細孔的細化，提升毛細孔壓力，促進了水泥基復合材料的自收縮，且摻量越大，自收縮越明顯。王勝等[9]綜合采用納米Al2O3、防凍劑、減水劑以及早強劑等研發制備了納米復合水泥漿，結合掃描電鏡、水化放熱試驗等，研究了該新型水泥漿的低溫水化過程。研究發現，納米復合水泥漿在-9℃的低溫環境下仍具備優異的流動性，初終凝時間分別為84、101 min，且24h抗壓強度為6.9MPa，很好地解決了低溫地層鉆探時的井壁坍塌和井漏問題。

1.2 納米材料在水泥土中的應用

在土木工程領域，水泥土是一種普遍采用的工程材料，可被用于軟土地層強化加固、基坑周邊止水帷幕以及水泥土攪拌樁體等。在實踐中，通過在水泥土中摻入納米材料制備復合改性材料，能有效提升傳統水泥土的應用性能。

王立峰[10]在水泥土中摻入納米硅基氧化物制備獲得納米水泥土，基于大量試驗，總結分析了納米水泥土的抗壓強度影響條件和發展規律，并探究了納米硅和水泥土相互作用以及水泥土增強機理。張茂花等[11]為改進水泥土的工程應用特性，分別將納米尺度的蒙脫石、硅粉和鋁粉等材料加到水泥土中，從摻入量、摻入比和水泥土含水率三個維度出發，通過開展相關試驗，如室內無側限抗壓強度等，分析了納米水泥土的早期強度發展規律，探析強度變化機理。研究發現，納米蒙脫石、納米硅和納米鋁對水泥土的強度均具有積極作用，同時分析確定了最適合的納米材料摻入比。

張陳等[12]針對濱海水泥土的性能缺陷，研究了納米MgO摻入后的改性效果，并通過相關的力學和微觀試驗，總結了納米MgO對水泥土的影響規律。研究結果表明，納米MgO改性水泥土存在1%的最優摻入比，且相比未摻入納米材料時主要呈現松散結構的濱海水泥土而言，加入1%的納米MgO進行改性后，水泥土微觀結構呈現致密狀，力學強度得到了大幅提升。陳澤超等[13]針對水泥土在實際應用中存在的變形大、強度低等不足，分別采取納米SiO2、納米MgO和納米Al2O3等納米材料對水泥土進行改性試驗，總結了相關的力學性能影響規律。研究發現，摻入納米材料均能有效提升水泥土的物理力學特性，且不同納米材料的最優摻入比不同，納米SiO2的最優摻入比為3.0%~4.0%，納米MgO的最優摻入比為1%，而納米Al2O的最優摻入比則為2.5%~4.0%。該研究結論與文獻[12]得出的納米MgO最優摻入比一致。

1.3 納米材料在混凝土中的應用

隨著工程建設水平的不斷發展和深入，我國涌現出許多“高、深、大、難”類的工程建設項目，且日趨綜合化、復雜化、功能化，為適應施工特點，要求混凝土具備更多的使用性能和應用特性，如高強、高性能、高流動性等。因此，傳統混凝土材料逐漸面臨需要改善優化的難題，以期滿足高性能、高功能及高耐久性等迫切需求。

王委等[14]將不同比例的納米SiO2粉末摻入至普通混凝土中，試驗研究了改性混凝土的力學性能。分析結果可知，納米SiO2的摻量為0.5%~1.0%之間時，混凝土的和易性受影響最大，而1.5%~3.0%摻量的納米SiO2能大幅提高混凝土抗壓強度，考慮抗壓強度因素，試驗得出的最佳納米SiO2摻量為1.5%。朱靖塞等[15]分別制備了摻入量為0.2%的納米SiO2和納米CaCO3的改性混凝土，并經由特定試驗裝置測定其相應的動力特性。試驗結果表明，相比未加入納米材料的普通混凝土而言，準靜態荷載下，納米CaCO3改性混凝土的強度和變形性能最為優異，納米SiO2改性混凝土次之，因此基于韌度的評價參數而言，納米CaCO3材料更能充分展示其對混凝土的增韌特性。

李鵬[16]通過摻入納米α-Al2O3，探究納米材料對隧道用混凝土的力學、抗裂、抗滲以及收縮等性能的影響規律。研究結果顯示，納米α-Al2O3有助于混凝土早期抗裂性和抗滲性的提升，其中摻入量在2%~2.5%之間時能大幅改善混凝土的抗壓和抗折性能，且當納米α-Al2O3摻量提高時，混凝土呈現早期收縮值先增大后減小的趨勢。楊江鵬等[17]為提高橋梁混凝土的抗凍防腐性能，根據設計的配合比要求，將碳納米纖維通過分散劑逐步摻入至水泥混凝土中，制備獲得碳納米纖維混凝土，研究其相應性能。試驗結果表明，經碳納米纖維改性的水泥混凝土擁有優異的抗凍融剝蝕和耐腐蝕性能，對于沿海地區或西部鹽堿區域的橋梁下部結構而言，具有較好的適用性。李婕等[18]分析了不同粒徑與摻量的納米SiO2對混凝土力學性能的影響，通過制備9組改性混凝土并分別開展強度試驗，再借助SEM掃描電鏡進行影響機理分析。研究結果表明，納米SiO2的粒徑和摻量越大，改性混凝土的力學性能增幅均越低，說明適當的粒徑和摻量可促進水泥水化反應，過多的納米材料摻量反而不利于水化反應的進行，其中的抗壓、抗拉和抗剪等強度指標互相影響，最佳的納米SiO2摻量為5%。

2 納米材料的發展前景

當前，在納米材料研究領域，我國已經制備出納米陶瓷、NiO納米微粒膜、碳納米管等一系列新型的納米材料，并成功應用于材料學、聲光學以及物理化學等專業學科中，取得了較多的突破性進展，然而目前的研究大多基于實驗室而開展，在實際應用方面仍存在較多的不足。

（1）產業化投資風險大。納米材料技術的生產成本高昂，生產過程中的規模經濟效應極大，相關涉及生產費用一般需要一次性投入，因此在產業化方面面臨著較高的資金風險。

（2）納米器件集成不足。目前的業內研究重點主要為納米材料的研制和開發，在落地應用方面，缺乏相應的核心器件，因此，下一步的關鍵是納米器件的研究和集成應用。

（3）安全性問題。納米材料的化學活性極強，對其環境釋放量必須給予安全性方面的考慮，否則一旦被吸入體內，將存在一定的危害，如對肺部或心血管等造成損害，因此需要進一步研究其安全性控制措施，以降低環境釋放量或進入體內的可能性。

3 結語

納米材料屬于微觀與宏觀之間的介觀范疇，擁有普通材料所不具備的一些特殊性能，在材料、探測、電力、能源以及生物醫學等眾多專業方向均有廣泛的應用潛力，如適用于腐蝕性、高壓環境的納米陶瓷，具有低反射率、高吸收率的納米紅外傳感器，擁有高電阻的納米超導體，高活性的納米催化劑以及高度仿生的納米人工骨等，是“新世紀最有前途的材料”。本文總結闡述了幾種常見納米材料在水泥基材料、混凝土以及水泥土等土木工程領域的應用研究現狀，指出了其未來的發展前景，可為納米技術的進一步發展和研究提供參考。