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(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)在巖土與地質(zhì)工程領(lǐng)域的建設(shè)和發(fā)展規(guī)模也愈發(fā)龐大，在全國(guó)各地的工程需求也逐年提高，為了滿足新時(shí)代巖土與地質(zhì)工程的應(yīng)用，工程材料也趨于高性能、多功能和強(qiáng)適應(yīng)性的發(fā)展方向［1］。為了提高材料的強(qiáng)度和性能，研究人員開(kāi)發(fā)出了許多材料設(shè)計(jì)方法，出現(xiàn)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(zhì)對(duì)改性過(guò)程的適應(yīng)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(diǎn)關(guān)注［2］。在我國(guó)，目前市場(chǎng)常見(jiàn)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(yuǎn)小于普通的宏觀粒子，在許多物理領(lǐng)域下（聲、光、電、磁等）都具有特殊的性質(zhì)，研究人員一般將其歸納為四個(gè)效應(yīng)［3］，分別為量子、介電、表面、體積效應(yīng)。在工程應(yīng)用領(lǐng)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(tǒng)稱為“納米材料”，均具備一定的納米效應(yīng)。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(xué)反應(yīng)的載體和催化劑，工程領(lǐng)域中一般將納米材料作為改性載體或催化劑應(yīng)用［4］。

2 納米材料在巖土工程中的應(yīng)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(duì)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(xiàn)先增大后降低的過(guò)程。對(duì)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(shí)，由于納米材料的電子層處于不穩(wěn)定的高能狀態(tài)，當(dāng)納米材料與混凝土材料混合時(shí)，納米材料和混凝土材料的原子很容易進(jìn)行配位結(jié)合，達(dá)到穩(wěn)定的混合結(jié)構(gòu)，提高其致密性和強(qiáng)度［6］。另一方面，納米材料的原子較為活潑，在受到外部應(yīng)力的作用時(shí)，原子易在相互配位的結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)移，降低混凝土內(nèi)部應(yīng)力的作用同時(shí)會(huì)提升混凝土材料的延展性能［7］。

對(duì)于混凝土等水泥基材料而言，水解產(chǎn)生的C-S-H凝膠對(duì)其強(qiáng)度等性能的影響較大［8］。目前，研究人員對(duì)納米粒子增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的研究集中在三個(gè)方面：其一是納米粒子的尺寸較小，可作為填充物填補(bǔ)混凝土水化過(guò)程中產(chǎn)生的孔隙和空洞，從而避免了混凝土內(nèi)部裂紋的起源［9］；其二則是將納米粒子對(duì)材料強(qiáng)度的提升歸結(jié)于納米材料的高表面能，認(rèn)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(guò)程中與早強(qiáng)劑、緩凝劑等成分反應(yīng)，使混凝土的結(jié)構(gòu)更為致密［10］；最后則是認(rèn)為納米材料與C-S-H凝膠的交織形成的相對(duì)致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以提高材料強(qiáng)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(jié)構(gòu)缺陷［11］。在此基礎(chǔ)上，研究人員對(duì)不同納米材料在混凝土中的應(yīng)用和作用機(jī)理進(jìn)行了探究。王秀紅［12］對(duì)微硅粉增強(qiáng)纖維增強(qiáng)水泥中的研究中指出，微硅粉的混雜對(duì)水泥的抗凍融和抗反復(fù)濕熱能力也有明顯的提高。袁富榮［13］則表示納米氧化鋁對(duì)混凝土綜合性能提升較大。李固華［14］認(rèn)為適量的納米 CaCO3粒子的混雜對(duì)早期氯離子的滲透有一定的防護(hù)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(xiàn)代主要的建筑工程材料之一。納米材料對(duì)粘土的改性處理可以改變粘土的強(qiáng)度和變形率。王文軍［15］將納米硅粉混雜在粘土中，發(fā)現(xiàn)納米硅粉的摻雜對(duì)粘土的含水量沒(méi)有明顯的影響，然而可以有效增大土體的液限指數(shù)。他認(rèn)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(jié)，起到增強(qiáng)土體抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(xì)沙或沙壤土為主要原料，經(jīng)過(guò)處理并壓制得到的板塊，再經(jīng)過(guò)灑水和一段時(shí)間的養(yǎng)護(hù)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(xué)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(jīng)濟(jì)成本大大縮減［16］。

水泥土的力學(xué)性能限制了其在很多環(huán)境下的應(yīng)用，因此，對(duì)水泥土進(jìn)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(qiáng)度［17］，納米Si對(duì)強(qiáng)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(duì)水泥土強(qiáng)度的正向增強(qiáng)，李剛［19］發(fā)現(xiàn)摻納米Al2O3對(duì)水泥土強(qiáng)度有正向增強(qiáng)效果，然而納米TiO2卻起到了相反的作用。研究人員對(duì)納米粒子增強(qiáng)水泥土的強(qiáng)度和改善材料失效的現(xiàn)象進(jìn)行了總結(jié)，他們認(rèn)為，影響水泥土力學(xué)性能的主要過(guò)程在于水泥土的固化過(guò)程。水泥土的固化是水泥的水化物與其他成分的膠結(jié)實(shí)現(xiàn)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(qiáng)水泥水化物的膠結(jié)作用，并填充固化過(guò)程產(chǎn)生的孔隙，提高了材料的強(qiáng)度［20］。除力學(xué)性能的增強(qiáng)，曾慶軍［21］發(fā)現(xiàn)在酸性環(huán)境下納米硅粉和水泥水化產(chǎn)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(zhì)工程中的應(yīng)用

納米材料在地質(zhì)工程中的研究起始于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的巨大內(nèi)應(yīng)力對(duì)山體和地殼圈巖石和土壤破壞，研究人員提出巖石在滑動(dòng)形成的斷層帶上會(huì)被應(yīng)力磨損得到尺寸極小的顆粒，成為納米粒子地質(zhì)層。后續(xù)的學(xué)說(shuō)補(bǔ)充了這一觀點(diǎn)，并認(rèn)為巖石在剪切摩擦的作用下產(chǎn)生摩擦粘性薄層帶［22］。在這種情況下，由于地質(zhì)環(huán)境因素形成的巖溶、塌陷和地裂縫等現(xiàn)象毫無(wú)疑問(wèn)影響工程的安全和穩(wěn)定服役。所以，不僅需要在工程實(shí)施前進(jìn)行全面、完全的地質(zhì)探查，更需要對(duì)此類現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)防和補(bǔ)救，其中，注漿加固是最為常見(jiàn)和成熟的工藝之一。在此基礎(chǔ)上，注漿材料的力學(xué)性能就顯得尤為重要，針對(duì)注漿材料的改良和針對(duì)性提升性能是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。應(yīng)用納米材料作為注漿材料的添加劑進(jìn)行改性是其中熱點(diǎn)研究方向之一。陳勇剛［23］研發(fā)的XPM納米灌注材料可以實(shí)現(xiàn)快速膠凝，且強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)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(guò)程中的不均勻沉降問(wèn)題，大大提升水泥漿材料的穩(wěn)定性［24］。

除此之外，納米材料特殊的吸附特性使其還可以應(yīng)用在地質(zhì)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(duì)樣品進(jìn)行吸附富集后，以脈沖伏安法實(shí)現(xiàn)地質(zhì)樣品中微量鉛含量的測(cè)定［25］。

4 納米改性材料的缺點(diǎn)

納米材料的特性的確使得其對(duì)巖土工程與地質(zhì)工程應(yīng)用材料的性能有較大的提升，并賦予了材料更多功能和應(yīng)用空間，然而也正是納米材料的特性，會(huì)同樣給材料帶來(lái)負(fù)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(huì)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(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，且會(huì)與許多添加劑反應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致納米粒子的失活。并且在混凝土的固化過(guò)程中，納米材料會(huì)加速碳化反應(yīng)并影響混凝土的粘結(jié)性，并會(huì)成為混凝土內(nèi)部裂紋的萌發(fā)位置。

(2)納米材料的超高比表面積和高表面能可以增強(qiáng)混凝土的致密性，但也會(huì)同時(shí)增強(qiáng)混凝土的粘結(jié)性，換而言之，納米材料的添加降低了混凝土的流動(dòng)性，同時(shí)，納米粒子的分散問(wèn)題也必然會(huì)使水的用量增大，為了避免水灰比過(guò)大導(dǎo)致混凝土強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致混凝土性能變化，也會(huì)和納米粒子相互反應(yīng)，導(dǎo)致不可知的結(jié)果。

(3)納米材料會(huì)填充混凝土中的微小間隙，達(dá)到提高致密度的效果。但在特殊的場(chǎng)景如保溫體系、高溫高壓服役環(huán)境等應(yīng)用時(shí)，過(guò)于致密的混凝土材料的導(dǎo)熱系數(shù)必然過(guò)高，無(wú)法達(dá)到有效的保溫效果，且過(guò)于致密的結(jié)構(gòu)也會(huì)使其抗沖擊性能的下降，在外界能量的沖擊下產(chǎn)生裂紋源的概率大大增加。

(4)納米材料的成本較高，無(wú)法穩(wěn)定大量生產(chǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

納米材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土工程和地質(zhì)工程材料力學(xué)性能的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)材料的多功能化和力學(xué)性能的增強(qiáng)，提升納米改性材料的應(yīng)用廣度和潛力，但納米材料在材料中的應(yīng)用并不成熟，仍然具有很多問(wèn)題，如分散性問(wèn)題等，嚴(yán)重制約了納米復(fù)合材料的應(yīng)用，此外，納米粒子改性對(duì)材料的增強(qiáng)機(jī)制也并未完全明晰，需要進(jìn)行更多的研究工作。