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

肖坤

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摘要：由于岩土工程勘察与地基设计所涉及的内容比较多,所以勘测人员本身不仅要具备较强的应变能力,还需要通过对勘测数据的分析,实现对地基的有效设计,及时发现在勘察中的问题,重视规范操作流程。基于此,相关学者要对当前岩土工程勘察与地基设计中的问题以及处理措施进行深入分析,从而进一步提高岩土工程的勘察效果。

关键词：纳米材料；力学性能；岩土工程；地质工程

引言

为在岩土工程勘察中确保岩土勘察的高效性、准确性，相关人员应重视岩土勘察期间的数据分析，深入挖掘岩土勘察数据，创新岩土工程勘察模式。同时结合大数据时代特点，顺应岩土工程数字化勘察趋势，及时地改进岩土勘察流程，灵活地运用各类数据技术，逐步提升岩土工程勘察质量，为岩土工程后期建设、安全管理提供可靠依据。

1岩土的特征

在对岩土工程和地基进行设计前,首先需要加强对土体类型的了解,分析岩土的特征,为日后设计方案的完善提供条件。其次,还要掌握工程中岩土体的性质。现如今,我国虽然处于高质量的发展阶段,但是在岩土工程勘察与地基设计方面还存在一定的问题。主要是因为影响此工作的因素比较多,地基和岩土自身的性质是影响工程勘察的关键性因素。由于岩土体本身具有不连续性和多相性等特点,并且其物质成分和颗粒大小也不同,需对土体中的这些土颗粒和岩块进行深入分析,如果其中的“相”出现了变化,或者是其组成不同,会给岩土体带来影响。部分学者在对岩土体的形成进行研究时,发现其具有比较复杂的物理力学性质。这就需要在全方面出发,更加深层次地对岩土工程勘察与地基设计内容进行整合,通过对岩土特点的分析,完善勘察方案。

2纳米材料的定义及特性

由于纳米材料的尺寸比普通的宏观粒子小得多,它们在许多物理领域(声音,光,电,磁等)具有特殊的性质。研究人员通常将它们归结为四种效应:量子效应,介电效应,表面效应和体积效应。在工程应用中,由纳米材料聚合或主要由纳米材料制成的材料通常也被称为具有某种纳米效应的纳米材料。典型的纳米材料具有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,纳米材料通常用于工程领域作为载体或改性催化剂。

3大数据时代岩土工程勘察特征

岩土工程勘察的主要目标是明确建设区域的地质条件，分析存在的地质问题，提前排查施工区域的地质风险，为工程建设提供有价值的参考信息。大数据时代中，岩土工程勘察的数字化趋势愈发明显。开展岩土勘察工作时，相关人员会按照后期建设工程对地质条件、岩土信息的相关要求，应用计算机、大数据、云计算、BIM等技术全面分析建设区域的地质特征、周围地质环境，生成完整、详细的勘察报告，为建设工程提供可靠的地质信息。在此过程中，岩土工程勘察数字化建设后，勘察期间的数据采集、分析难度逐渐降低。另外，岩土工程勘察数字化特征可表现为勘察数据的完整性、勘察工作的动态性以及勘察过程的安全性。比如，勘测地质信息时，数字化技术可实现岩土勘察中的定向监控，动态跟踪勘测数据，记录信息的同时排查安全隐患，有效地提升岩土勘测工作效率。

4纳米材料在地质工程中的应用

对地质工程中纳米材料的研究始于岩石和岩石岩石的岩土工程运动和土壤破坏引起的巨大内应力,研究人员推测,裂隙滑动形成带上的岩石可以通过应力磨损以获得非常小的颗粒,从而成为纳米颗粒的地质层。后来的学说补充了这种观点,认为岩石在剪切摩擦作用下产生粘性摩擦带。在这种情况下,由于地质环境因素造成的卡片、断层和裂缝,无疑会影响作业的安全性和稳定性。因此,不仅需要在项目实施前进行全面彻底的地质调查,而且需要预防和消除此类现象,其中链条加固是最常见和最成熟的过程之一。基于此,材料的渗透力学性能显得尤为重要,提高和有针对性地提高材料的渗透性能是当前研究的重点。纳米材料作为改性铸造材料的添加剂的应用是研究的热点之一。开发的XPM纳米材料提供了快速的强度,并且与传统的原始双材料相比,强度显着提高。此外,纳米胶粉可以减少水泥浆处理过程中沉积不均匀的问题,大大提高水泥浆的稳定性。此外,纳米材料的特殊吸附特性使其能够用于地质工程中元素的痕量研究,以碳纳米管改性的玻璃碳电极为例,样品吸附富集后,用脉冲伏安法测定地质样品中痕量铅的含量。

5纳米材料在岩土工程中的应用

5.1金属氧化物纳米材料

许多以金属氧化物为基体的纳米颗粒，在自由渗吸实验或岩芯驱替实验中展现出良好的提高石油采收率的能力。使用Ａ１２０３纳米颗粒作为储层润湿性改性剂，通过接触角和渗吸实验证实该纳米驱油剂可以使砂岩表面的润湿性从强油湿变为强水湿状态，也证实了这一点，并开展了Ａ１２０３纳米颗粒的地层损伤研究。分散剂乙醇的存在能降低油水间界面张力，强调了纳米颗粒分散剂在地层中起到的重要作用。学者们还研究了Ｚｒ０２基纳米驱油剂对碳酸盐岩储层岩石润湿性的影响，发现该驱油剂也可以通过改变岩石润湿性提高原油采收率。低浓度Ｔｉ０２纳米颗粒在多孔介质中的流动行为及提高采收率机理，表明在ＴＫ）２纳米颗粒作用下，岩石表面由亲油变为亲水，且对原油黏度和固液界面张力无明显影响。

5.2碳纳米管改性地质聚合物的原理

碳纳米管对地质聚合物改性的主要作用有:(1)碳纳米管提供额外的成核位置，促进铝硅酸盐的聚合反应，从而提高反应产物的数量和地质聚合物的强度;(2)在地质聚合物的聚合过程中，碳纳米管表面的羟基、羧基等部分活性基团可与地质聚合物缩聚反应前产生的Si-OH和Al-OH发生水解缩聚反应，形成Si-O-Si或Si-O-Al键合作用，达到碳钠米管与地质聚合物的有效结合，从而增强地质聚合物与碳纳米管之间的结合力，优化整体结构;(3)碳纳米管尺寸小、长径比较高，可以同时具有填充作用和桥接作用，填充作用可细化地质聚合物的孔结构，使微观结构致密化，桥接作用可限制地质聚合物微孔、微裂缝等的扩展，从而增强地质聚合物的宏观力学性能。与其他纤维材料(如钢纤维、PVA纤维等纤维)相比，碳纳米管对地质聚合物的改性不仅有物理改性，还存在化学改性，这使碳纳米管能够更好地与地质聚合物基体连接。

5.3纳米二氧化硅

地壳中的０、＆元素含量最高，眞自然界中存在太量？英砂，因此，赋予二氧化桂纳米颗粒原材料来源广、成本低、环境友好等优点，中心对称分布的硅氣四面体晶体结构也使Ｓｉ０２物理性质稳定，ＳＫ）２纳米驱油剤成为油田化学中较为常用纳米材料。许多研究都证明ＳＫ）２驱油剂：具有廉著的提商舉临率效果，通过球磨白耖得到不同粒径的ＳｉＣｂ纳米颗粒，证实通过用黄原胶聚合物涂覆７８１皿的Ｓｉ０２颗粒可实现高达８０．０％的采收率；允寧２＾对疏油亲水性多晶硅纳米颗粒（ＬＨＰ）在砂卷岩芯表面润湿性和绝对渗透率等参数变化开展研究，证明在柴油中注入ＬＨＰ悬浮液段塞可以提高水驱采收＾Ｐｉｌｌｍ等＠研究了不同条件下赖氦酸枝节对乳液的稳定作用，配合麻风树袖合成的袠锘剂，可镇外擬靡笨收率２４．６％远龠于仅使用表活剤的结果。

结束语

纳米材料可以实现岩土工程和地质材料力学性能的优化,实现材料力学性能的普遍化和提高,提高纳米材料的应用广度和潜力,但纳米材料在材料中的应用尚未成熟,仍然存在许多问题,如分散性问题,严重制约了纳米复合材料的应用。

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