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(fā)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(chǎn)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(qū)別于普通材料的反常規(guī)化或特殊性[1-2]。

而隨著現(xiàn)代化土木工程建設項目的推進，實施規(guī)模、周邊環(huán)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(tǒng)建筑材料逐漸顯現(xiàn)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(jīng)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(fā)，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(guī)律，并指出了納米材料存在的問題與發(fā)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(tǒng)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(xiàn)傳統(tǒng)材料某些特定性能的提高，實現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)象也是納米改性水泥基復合材料的理論依據(jù)。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(chǎn)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(yōu)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)物的聚集態(tài)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(fā)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(fā)現(xiàn)，納米復合水泥漿在-9℃的低溫環(huán)境下仍具備優(yōu)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(tǒng)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(fā)展規(guī)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(fā)，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(fā)展規(guī)律，探析強度變化機理。研究發(fā)現(xiàn)，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(guī)律。研究結果表明，納米MgO改性水泥土存在1%的最優(yōu)摻入比，且相比未摻入納米材料時主要呈現(xiàn)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(xiàn)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(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，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(yōu)摻入比不同，納米SiO2的最優(yōu)摻入比為3.0%~4.0%，納米MgO的最優(yōu)摻入比為1%，而納米Al2O的最優(yōu)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(yōu)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(fā)展和深入，我國涌現(xiàn)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(tǒng)混凝土材料逐漸面臨需要改善優(yōu)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(jīng)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(tài)荷載下，納米CaCO3改性混凝土的強度和變形性能最為優(yōu)異，納米SiO2改性混凝土次之，因此基于韌度的評價參數(shù)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?jié)B以及收縮等性能的影響規(guī)律。研究結果顯示，納米α-Al2O3有助于混凝土早期抗裂性和抗?jié)B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(xiàn)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(jù)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(jīng)碳納米纖維改性的水泥混凝土擁有優(yōu)異的抗凍融剝蝕和耐腐蝕性能，對于沿海地區(qū)或西部鹽堿區(qū)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?shù)牧胶蛽搅靠纱龠M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(fā)展前景

當前，在納米材料研究領域，我國已經(jīng)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(yè)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(chǎn)業(yè)化投資風險大。納米材料技術的生產(chǎn)成本高昂，生產(chǎn)過程中的規(guī)模經(jīng)濟效應極大，相關涉及生產(chǎn)費用一般需要一次性投入，因此在產(chǎn)業(yè)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(yè)內研究重點主要為納米材料的研制和開發(fā)，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(huán)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(huán)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(yī)學等眾多專業(yè)方向均有廣泛的應用潛力，如適用于腐蝕性、高壓環(huán)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(xiàn)狀，指出了其未來的發(fā)展前景，可為納米技術的進一步發(fā)展和研究提供參考。