纳米材料在土木工程中的应用与发展前景

那艳明

（北京建工四建工程建设有限公司，北京 100075）

在材料学科范围内，结构一般是具有多尺度的，包括原子、分子、晶体以及宏观结构等。所谓纳米材料，是从反映材料外观尺度的特征出发进行定义的，即当材料中的某一物质或由该物质组成的单元有一维的尺度在1~100 nm之间时，便定义其为纳米材料。研究表明，当一种物质的尺度开始属于纳米范围时，其特定的一些性能将会产生明显变化。因此，纳米材料的基本特征既包括外观方面的纳米尺度，也有在性能方面区别于普通材料的反常规化或特殊性[1-2]。

而随着现代化土木工程建设项目的推进，实施规模、周边环境以及工况条件等日趋严苛，对建设中的应用材料提出了越来越高的要求，传统建筑材料逐渐显现出一定的弊端，因此亟需新型的高性能材料来满足特定的工程需求。纳米材料拥有普通材料难以具备的特异性能[3-4]，能有效契合一定实施条件下的应用需求，且通过相关学者的研究，已经积累了不少成果。鉴于此，本文着重对近些年的纳米材料研究或应用情况进行总结阐述，并从水泥基材料、水泥土、混凝土等方面出发，总结常见纳米材料，如纳米尺度的硅粉、二氧化硅及碳酸钙等在土木工程材料改性领域中的研究情况，分析纳米改性复合材料的力学性能、抗裂性能和耐腐蚀性能等的变化规律，并指出了纳米材料存在的问题与发展前景。

1 纳米材料在土木工程中的应用

在土木工程领域实践中，纳米材料由于其较高的成本以及高密度特性，难以直接作为建筑材料或功能材料进行应用，故而大多是将纳米材料掺入至传统建材中制备成为新型复合材料，并通过纳米材料的改性实现传统材料某些特定性能的提高，实现更好的工程运用。

1.1 纳米材料在水泥基材料中的应用

对于水泥基材料，早期的研究表明，约有70%的水泥水化产物均具有纳米尺度[5]，其中包括C-S-H凝胶、毛细孔、凝胶孔以及晶体水化物等，这些纳米尺度的物质能充分封堵水泥浆体孔隙，提升浆体的密实程度。该现象也是纳米改性水泥基复合材料的理论依据。同时纳米材料的掺入能明显提升比表面积、表面能以及需水量等，影响水泥基材料的水化过程和产物，并决定了最终的强度和耐久性。

阳知乾等[6]将纳米SiO2掺入至聚丙烯纤维中制备获得改性纤维，并对该改性纤维的分散性、抗裂性等进行研究，同时分析了改性纤维在砂浆和混凝土中的应用情况。结果表明，改性纤维的力学性能优良，纳米SiO2在纤维表面分布均匀，大幅提升了纤维的抗裂性，且一定程度上也提高了纤维增强砂浆和混凝土的抗折和抗压强度。马保国等[7]将纳米SiO2掺入至硫铝酸盐水泥中，研究发现改性水泥砂浆的初始强度显著增大，相比未加入纳米材料的对照组，改性组在56天后的抗折强度提升了约65%，并从微观层面分析揭示了纳米SiO2对于强度作用的影响机理。王瑶等[8]研究了新型纳米碳材料氧化石墨烯（GO）对水泥水化产物的聚集态影响，通过对不同GO掺量的水泥浆体进行自收缩测试，分析表明GO能促进水泥浆体内部大毛细孔的细化，提升毛细孔压力，促进了水泥基复合材料的自收缩，且掺量越大，自收缩越明显。王胜等[9]综合采用纳米Al2O3、防冻剂、减水剂以及早强剂等研发制备了纳米复合水泥浆，结合扫描电镜、水化放热试验等，研究了该新型水泥浆的低温水化过程。研究发现，纳米复合水泥浆在-9℃的低温环境下仍具备优异的流动性，初终凝时间分别为84、101 min，且24h抗压强度为6.9MPa，很好地解决了低温地层钻探时的井壁坍塌和井漏问题。

1.2 纳米材料在水泥土中的应用

在土木工程领域，水泥土是一种普遍采用的工程材料，可被用于软土地层强化加固、基坑周边止水帷幕以及水泥土搅拌桩体等。在实践中，通过在水泥土中掺入纳米材料制备复合改性材料，能有效提升传统水泥土的应用性能。

王立峰[10]在水泥土中掺入纳米硅基氧化物制备获得纳米水泥土，基于大量试验，总结分析了纳米水泥土的抗压强度影响条件和发展规律，并探究了纳米硅和水泥土相互作用以及水泥土增强机理。张茂花等[11]为改进水泥土的工程应用特性，分别将纳米尺度的蒙脱石、硅粉和铝粉等材料加到水泥土中，从掺入量、掺入比和水泥土含水率三个维度出发，通过开展相关试验，如室内无侧限抗压强度等，分析了纳米水泥土的早期强度发展规律，探析强度变化机理。研究发现，纳米蒙脱石、纳米硅和纳米铝对水泥土的强度均具有积极作用，同时分析确定了最适合的纳米材料掺入比。

张陈等[12]针对滨海水泥土的性能缺陷，研究了纳米MgO掺入后的改性效果，并通过相关的力学和微观试验，总结了纳米MgO对水泥土的影响规律。研究结果表明，纳米MgO改性水泥土存在1%的最优掺入比，且相比未掺入纳米材料时主要呈现松散结构的滨海水泥土而言，加入1%的纳米MgO进行改性后，水泥土微观结构呈现致密状，力学强度得到了大幅提升。陈泽超等[13]针对水泥土在实际应用中存在的变形大、强度低等不足，分别采取纳米SiO2、纳米MgO和纳米Al2O3等纳米材料对水泥土进行改性试验，总结了相关的力学性能影响规律。研究发现，掺入纳米材料均能有效提升水泥土的物理力学特性，且不同纳米材料的最优掺入比不同，纳米SiO2的最优掺入比为3.0%~4.0%，纳米MgO的最优掺入比为1%，而纳米Al2O的最优掺入比则为2.5%~4.0%。该研究结论与文献[12]得出的纳米MgO最优掺入比一致。

1.3 纳米材料在混凝土中的应用

随着工程建设水平的不断发展和深入，我国涌现出许多“高、深、大、难”类的工程建设项目，且日趋综合化、复杂化、功能化，为适应施工特点，要求混凝土具备更多的使用性能和应用特性，如高强、高性能、高流动性等。因此，传统混凝土材料逐渐面临需要改善优化的难题，以期满足高性能、高功能及高耐久性等迫切需求。

王委等[14]将不同比例的纳米SiO2粉末掺入至普通混凝土中，试验研究了改性混凝土的力学性能。分析结果可知，纳米SiO2的掺量为0.5%~1.0%之间时，混凝土的和易性受影响最大，而1.5%~3.0%掺量的纳米SiO2能大幅提高混凝土抗压强度，考虑抗压强度因素，试验得出的最佳纳米SiO2掺量为1.5%。朱靖塞等[15]分别制备了掺入量为0.2%的纳米SiO2和纳米CaCO3的改性混凝土，并经由特定试验装置测定其相应的动力特性。试验结果表明，相比未加入纳米材料的普通混凝土而言，准静态荷载下，纳米CaCO3改性混凝土的强度和变形性能最为优异，纳米SiO2改性混凝土次之，因此基于韧度的评价参数而言，纳米CaCO3材料更能充分展示其对混凝土的增韧特性。

李鹏[16]通过掺入纳米α-Al2O3，探究纳米材料对隧道用混凝土的力学、抗裂、抗渗以及收缩等性能的影响规律。研究结果显示，纳米α-Al2O3有助于混凝土早期抗裂性和抗渗性的提升，其中掺入量在2%~2.5%之间时能大幅改善混凝土的抗压和抗折性能，且当纳米α-Al2O3掺量提高时，混凝土呈现早期收缩值先增大后减小的趋势。杨江鹏等[17]为提高桥梁混凝土的抗冻防腐性能，根据设计的配合比要求，将碳纳米纤维通过分散剂逐步掺入至水泥混凝土中，制备获得碳纳米纤维混凝土，研究其相应性能。试验结果表明，经碳纳米纤维改性的水泥混凝土拥有优异的抗冻融剥蚀和耐腐蚀性能，对于沿海地区或西部盐碱区域的桥梁下部结构而言，具有较好的适用性。李婕等[18]分析了不同粒径与掺量的纳米SiO2对混凝土力学性能的影响，通过制备9组改性混凝土并分别开展强度试验，再借助SEM扫描电镜进行影响机理分析。研究结果表明，纳米SiO2的粒径和掺量越大，改性混凝土的力学性能增幅均越低，说明适当的粒径和掺量可促进水泥水化反应，过多的纳米材料掺量反而不利于水化反应的进行，其中的抗压、抗拉和抗剪等强度指标互相影响，最佳的纳米SiO2掺量为5%。

2 纳米材料的发展前景

当前，在纳米材料研究领域，我国已经制备出纳米陶瓷、NiO纳米微粒膜、碳纳米管等一系列新型的纳米材料，并成功应用于材料学、声光学以及物理化学等专业学科中，取得了较多的突破性进展，然而目前的研究大多基于实验室而开展，在实际应用方面仍存在较多的不足。

（1）产业化投资风险大。纳米材料技术的生产成本高昂，生产过程中的规模经济效应极大，相关涉及生产费用一般需要一次性投入，因此在产业化方面面临着较高的资金风险。

（2）纳米器件集成不足。目前的业内研究重点主要为纳米材料的研制和开发，在落地应用方面，缺乏相应的核心器件，因此，下一步的关键是纳米器件的研究和集成应用。

（3）安全性问题。纳米材料的化学活性极强，对其环境释放量必须给予安全性方面的考虑，否则一旦被吸入体内，将存在一定的危害，如对肺部或心血管等造成损害，因此需要进一步研究其安全性控制措施，以降低环境释放量或进入体内的可能性。

3 结语

纳米材料属于微观与宏观之间的介观范畴，拥有普通材料所不具备的一些特殊性能，在材料、探测、电力、能源以及生物医学等众多专业方向均有广泛的应用潜力，如适用于腐蚀性、高压环境的纳米陶瓷，具有低反射率、高吸收率的纳米红外传感器，拥有高电阻的纳米超导体，高活性的纳米催化剂以及高度仿生的纳米人工骨等，是“新世纪最有前途的材料”。本文总结阐述了几种常见纳米材料在水泥基材料、混凝土以及水泥土等土木工程领域的应用研究现状，指出了其未来的发展前景，可为纳米技术的进一步发展和研究提供参考。