纳米材料在岩土与地质工程中应用研究进展

2023-01-05卢佩秋邹宜贤谌炜才

合成材料老化与应用 2022年4期

卢佩秋，邹宜贤，谌炜才

（福建岩土工程勘察研究院有限公司，福建福州 350100)

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［1］。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［2］。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。

1 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［3］，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［4］。

2 纳米材料在岩土工程中的应用

2.1 纳米改性混凝土

纳米材料最为明显的特征就是它的尺寸极小，对于球形粒子而言，随着材料的粒径慢慢变小，材料的比表面积呈现先增大后降低的过程。对水泥基材料而言，纳米材料的高比表面积使其与混凝土的混合更为紧密，有效降低混凝土中的孔隙［5］。与此同时，由于纳米材料的电子层处于不稳定的高能状态，当纳米材料与混凝土材料混合时，纳米材料和混凝土材料的原子很容易进行配位结合，达到稳定的混合结构，提高其致密性和强度［6］。另一方面，纳米材料的原子较为活泼，在受到外部应力的作用时，原子易在相互配位的结构中转移，降低混凝土内部应力的作用同时会提升混凝土材料的延展性能［7］。

对于混凝土等水泥基材料而言，水解产生的C-S-H凝胶对其强度等性能的影响较大［8］。目前，研究人员对纳米粒子增强混凝土强度的研究集中在三个方面：其一是纳米粒子的尺寸较小，可作为填充物填补混凝土水化过程中产生的孔隙和空洞，从而避免了混凝土内部裂纹的起源［9］；其二则是将纳米粒子对材料强度的提升归结于纳米材料的高表面能，认为纳米材料的高表面能使得纳米材料在混凝土与添加剂的混合过程中与早强剂、缓凝剂等成分反应，使混凝土的结构更为致密［10］；最后则是认为纳米材料与C-S-H 凝胶的交织形成的相对致密的网状结构可以提高材料强度。唐明指出，纳米SiOx粒子可以明显增加C-S-H 凝胶含量，并有效降低混凝土的结构缺陷［11］。在此基础上，研究人员对不同纳米材料在混凝土中的应用和作用机理进行了探究。王秀红［12］对微硅粉增强纤维增强水泥中的研究中指出，微硅粉的混杂对水泥的抗冻融和抗反复湿热能力也有明显的提高。袁富荣［13］则表示纳米氧化铝对混凝土综合性能提升较大。李固华［14］认为适量的纳米 CaCO3粒子的混杂对早期氯离子的渗透有一定的防护作用。

2.2 纳米改性粘土

粘土的种类较多，分布广，含量大，是现代主要的建筑工程材料之一。纳米材料对粘土的改性处理可以改变粘土的强度和变形率。王文军［15］将纳米硅粉混杂在粘土中，发现纳米硅粉的掺杂对粘土的含水量没有明显的影响，然而可以有效增大土体的液限指数。他认为，纳米硅粉在粘土中仅吸附在水分子表面，并与粘土颗粒胶结，起到增强土体抗压强度的作用，并且，纳米材料同样可以填充在粘土的孔隙处，增强材料的致密性。

2.3 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［16］。

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［17］，纳米Si 对强度的提升及变形模量的改善等［18］。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［19］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［20］。除力学性能的增强，曾庆军［21］发现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。

3 纳米材料在地质工程中的应用

纳米材料在地质工程中的研究起始于地质构造运动产生的巨大内应力对山体和地壳圈岩石和土壤破坏，研究人员提出岩石在滑动形成的断层带上会被应力磨损得到尺寸极小的颗粒，成为纳米粒子地质层。后续的学说补充了这一观点，并认为岩石在剪切摩擦的作用下产生摩擦粘性薄层带［22］。在这种情况下，由于地质环境因素形成的岩溶、塌陷和地裂缝等现象毫无疑问影响工程的安全和稳定服役。所以，不仅需要在工程实施前进行全面、完全的地质探查，更需要对此类现象进行预防和补救，其中，注浆加固是最为常见和成熟的工艺之一。在此基础上，注浆材料的力学性能就显得尤为重要，针对注浆材料的改良和针对性提升性能是当前研究的重点。应用纳米材料作为注浆材料的添加剂进行改性是其中热点研究方向之一。陈勇刚［23］研发的XPM 纳米灌注材料可以实现快速胶凝，且强度实现了对传统原双浆材料的极大提升。此外，纳米硅粉可以降低水泥浆材处理过程中的不均匀沉降问题，大大提升水泥浆材料的稳定性［24］。

除此之外，纳米材料特殊的吸附特性使其还可以应用在地质工程中痕量元素的研究中，以碳纳米管修饰的玻碳电极为例，在对样品进行吸附富集后，以脉冲伏安法实现地质样品中微量铅含量的测定［25］。

4 纳米改性材料的缺点

纳米材料的特性的确使得其对岩土工程与地质工程应用材料的性能有较大的提升，并赋予了材料更多功能和应用空间，然而也正是纳米材料的特性，会同样给材料带来负面效果。

(1) 在纳米改性混凝土材料中，纳米材料的高表面能会加速混凝土和添加剂的混合，有效增大混凝土的致密性。然而纳米材料自身具备的高表面能也使得纳米材料易发生团聚现象，且会与许多添加剂反应，可能会导致纳米粒子的失活。并且在混凝土的固化过程中，纳米材料会加速碳化反应并影响混凝土的粘结性，并会成为混凝土内部裂纹的萌发位置。

(2) 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。

(3) 纳米材料会填充混凝土中的微小间隙，达到提高致密度的效果。但在特殊的场景如保温体系、高温高压服役环境等应用时，过于致密的混凝土材料的导热系数必然过高，无法达到有效的保温效果，且过于致密的结构也会使其抗冲击性能的下降，在外界能量的冲击下产生裂纹源的概率大大增加。

(4)纳米材料的成本较高，无法稳定大量生产。