纳米材料在岩土与地质工程中应用研究进展

纳米材料在岩土与地质工程中应用研究进展

冯鹏超

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摘要：随着经济的飞速发展，我国在岩土与地质工程领域的建设和发展规模也愈发庞大，在全国各地的工程需求也逐年提高，为了满足新时代岩土与地质工程的应用，工程材料也趋于高性能、多功能和强适应性的发展方向。为了提高材料的强度和性能，研究人员开发出了许多材料设计方法，出现了如纤维混杂合成材料、高分子合成材料和纳米改性材料等，其中，由于纳米材料自身性质对改性过程的适应性，可有效提高材料的性能，并赋予材料声、光、电、磁等方面的特性，受到研究人员的重点关注。在我国，目前市场常见的纳米材料有纳米CaCO3粉末、纳米SiO2粉末等。

关键词：纳米材料；岩土工程；地质工程；应用研究

引言

对于岩土工程勘察来说，土工试验资料必不可少，因为土与一般的建筑材料不同，其具有特殊的复杂的物理性质，这种特殊的物理性质决定了它本身的特殊复杂的力学性质，不同地区的土又有不同的变化，诸如土的干密度、孔隙比、孔隙度、饱和度、液限与塑限、压缩模量等。土的这些特殊的性质决定了土工试验的必要性，在岩土勘察工程中，通过对土工试验资料的合理运用，能够避免工作中许多问题的出现，同时促进勘察工作的顺利进行。所谓的土工试验就是对岩土的一个测试，经过一定的研究分析，进而检测出岩土的物理性质、力学性质的各个性能的综合情况。土工试验作为岩土工程勘察的一个重要组成部分，并通过对施工场地原始工程地质条件和水文条件的论述，提供各地基土层承载力标准值，其中最重要的是依据土工试验、标贯试验以及静动探试验等资料。本文结合建筑实例来说明土工试验资料在岩土工程勘察中的应用。

一、纳米材料的定义及特性

由于纳米材料的尺寸远小于普通的宏观粒子，在许多物理领域下（声、光、电、磁等）都具有特殊的性质，研究人员一般将其归纳为四个效应，分别为量子、介电、表面、体积效应。在工程应用领域中，通常也将由纳米材料聚合得到的材料或主要由纳米材料组成的材料统称为“纳米材料”，均具备一定的纳米效应。典型的纳米材料具备极高的比表面积和高表面能，是良好的化学反应的载体和催化剂，工程领域中一般将纳米材料作为改性载体或催化剂应用。

二、纳米改性材料的缺点

纳米材料的超高比表面积和高表面能可以增强混凝土的致密性，但也会同时增强混凝土的粘结性，换而言之，纳米材料的添加降低了混凝土的流动性，同时，纳米粒子的分散问题也必然会使水的用量增大，为了避免水灰比过大导致混凝土强度的降低，需要在混凝土中添加减水剂等添加剂，而添加剂的使用除了会导致混凝土性能变化，也会和纳米粒子相互反应，导致不可知的结果。

三、纳米材料在岩土工程中的应用

（一）改性材料选择

加入纳米改性材料来提高其性能。由于氟碳保护剂价格昂贵、无法大面积施工，因此改性材料的选择要考虑成本问题;在传统氟碳聚合物保护剂的基础上加入改性纳米材料来达到降低氟碳保护剂价格的目的。常用的改性纳米材料主要有纳米TiO2、纳米SiO2和纳米CaCO3等。纳米TiO2和纳米SiO2来源比较局限、价格相对昂贵，工艺也比较复杂，不在本文考虑范围内;纳米CaCO3由于其广泛的来源，价格相对较低，市场价格在10元/kg左右，且粒径小、比表面积大，能均匀分散到建筑涂料中，对膜层的耐水性、耐碱性、耐洗刷性等提升效果明显，因此本文的改性剂采用纳米CaCO3。

（二）纳米改性水泥土

水泥土是以少量水泥和细沙或沙壤土为主要原料，经过处理并压制得到的板块，再经过洒水和一段时间的养护后即可作为建筑材料使用。与混凝土相比，虽然水泥土在力学性能和耐久性上相差较大，但水泥土原材料的低廉和丰富使得经济成本大大缩减。水泥土的力学性能限制了其在很多环境下的应用，因此，对水泥土进行改性处理提升其工程性能是十分有必要的。研究人员在许多方面做了探索，例如将纳米SiO2外加剂加入可显著提高了水泥土的抗压强度，纳米Si对强度的提升及变形模量的改善等。此外，纳米粒子的掺杂并不都是对水泥土强度的正向增强，李刚发现掺纳米Al2O3对水泥土强度有正向增强效果，然而纳米TiO2却起到了相反的作用。研究人员对纳米粒子增强水泥土的强度和改善材料失效的现象进行了总结，他们认为，影响水泥土力学性能的主要过程在于水泥土的固化过程。水泥土的固化是水泥的水化物与其他成分的胶结实现的，伴随着沙土颗粒的粒子交换和二次水化。而纳米材料的掺杂可以增强水泥水化物的胶结作用，并填充固化过程产生的孔隙，提高了材料的强度。除力学性能的增强，曾庆军在酸性环境下纳米硅粉和水泥水化产物的二次水化可以大幅度提高材料的抗腐蚀性能。

（三）土

国内外一些学者将纳米材料直接插入土壤，研究地球的强度和变形。王文军(2004年)分析了纳米硅和粘土的作用，表明纳米硅粉对土壤水率的影响微乎其微，但可以增加土壤量的流体指标，认为纳米硅和地下水只发生物理变化，纳米硅将提高地球的抗御能力，从而增强:(1)纳米硅对分子的吸收；(2)纳米硅粉对地球粘结剂的影响；(3)纳米半色调斜度影响孔内间隙。Sonja Ji(2010年)讨论了不同纳米材料对土壤无限压力强度的影响。当添加具有相同百分比但不同类型纳米材料的纳米材料时，在达到最大轴向拉伸之前生成相同变形所需的压力从小到大:原生、纳米a 12 o 3、纳米2、南希SiO2，添加1.5%纳米2时，地面无粘结压力应力为1.5%。

四、纳米材料在地质工程中的应用

由于地质因素引起岩溶土洞、地裂缝、地面塌陷等，对工程的安全使用有影响。不仅要查明不良地质现象的类型、范围、活动性、影响因素、发生机理及对工程的影响和评价，还应采取的预防和治理的措施。注浆加固除险是解决地质灾害的有效手段之一，纳米材料可以作为添加剂改性注浆材料。陈兰云等(2004)应用微硅粉水泥浆材处理基础的不均匀沉降。陈晓彦等(2010)分析了聚硅纳米材料的增注机理，室内测试了多批聚硅纳米材料的增注效果，发现聚硅纳米材料对提高岩心渗透率具有明显效果，能有效改变岩心的润湿性，使其从亲水变为亲油，从而降低水相流动阻力，起到降压增注作用。陈勇刚(2010)将XPM纳米灌注材料应用于井巷工程中，认为加入XPM纳米灌注材料的浆液胶凝时间比原双液浆注入后的胶凝时间提前3～5天，其强度也远远超出后者。纳米材料特殊的吸附特性在地质领域被广泛应用于地质样品中痕量元素的分离和富集、资源综合利用研究和矿产资源开采利用过程中的污染控制，采用如纳米二氧化钛、纳米氧化铈、纳米氧化锆、碳纳米管等纳米材料。王蕊等(2010)研究了以碳纳米管修饰的玻碳电极为工作电极，经吸附富集再利用脉冲伏安法测定微量铅，对富集电位、富集时间及部分干扰离子等进行试验。试验发现用碳纳米管修饰的玻碳电极作为工作电极，对铅离子吸附的灵敏度较高，应用该电极测定含铅的地质保准样品取得了满意的结果。

结束语

纳米材料可以实现对岩土工程和地质工程材料力学性能的优化，实现材料的多功能化和力学性能的增强，提升纳米改性材料的应用广度和潜力，但纳米材料在材料中的应用并不成熟，仍然具有很多问题，如分散性问题等，严重制约了纳米复合材料的应用，此外，纳米粒子改性对材料的增强机制也并未完全明晰，需要进行更多的研究工作。

参考文献

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