摘要：

随着纳米技术的发展和多学科的交叉应用，纳米材料作为一种新型添加剂应用于土体改良。为深入认识纳米材料对土体性质产生的影响以及作用机理，提高对纳米技术与岩土工程之间关系的理解，对不同类型纳米材料在土体改性方面的研究现状、有效性、适用性进行回顾与总结。重点讨论了纳米硅溶胶、纳米二氧化硅、纳米黏土矿物、纳米氧化铝等纳米材料对土体改性的影响，结合宏观力学性质以及微观结构变化解释纳米颗粒与土颗粒之间的相互作用机制。纳米粉末状颗粒通过提高抗压强度、降低水力传导系数加固土体；利用纳米硅溶胶、膨润土悬浮液、硅酸镁锂的可渗透性和触变性缓解土体液化。尽管相关试验研究表明添加少量纳米材料可引起土体性质的显著改善，但是大部分研究仍局限于室内试验，需要进一步探索易于现场施工、成本低、环境友好的新方法和新技术。

关键词：

纳米技术; 纳米材料; 土体改性; 水力传导系数; 土体液化; 作用机理; 膨胀土; 力学性能;

作者简介：

王施涵(1995—),男，硕士研究生，主要从事软土加固研究。E-mail:wang_shihanscut@163.com;

基金：

国家自然科学基金青年基金项目(41901074);中国科学院科技服务网络计划(STS计划)项目(KFJ-STS-ZDTP-037);

引用：

王施涵，牛富俊，张恒． 纳米材料在土体改性方面的研究进展［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 4) :209-219.

WANG Shihan，NIU Fujun，ZHANG Heng． Progress of study on application of nanomaterials to soil modification［J］. Water Resources andHydropower Engineering，2021，52( 4) : 209-219.

天然土体常常因为承载力低、沉降变形大、收缩开裂、地震液化等问题不能满足实际工程的需要。针对这些情况，通常采用物理化学手段对土体进行改性，以达到改善土体力学性质和控制其潜在变形的目的。通过振动、强夯、爆破夯实土体，提高土体承载力和抗液化能力是最常见的物理手段，但这种方法对周围基础设施具有很大影响，并且压实深度有限，不适合在发达地区使用。传统的固化材料水泥浆液具有黏度高，粒径大的特点，需要足够的压力才能灌注到目标土体，而且很难进入到细微裂隙中实现对整片场地的均匀加固 。其他典型化学灌浆材料例如丙烯酸盐以及环氧树脂的溶剂具有一定毒性，处理不当会对周围的生态环境产生不利影响。纤维加筋材料如聚丙烯纤维、碳纤维、钢纤维、玻璃纤维等 在土体加固中的研究也有大量报道，利用纤维的“桥接效应”可以有效阻碍土体裂缝的进一步发展 ,但是纤维材料会导致渗透性的增加，不适合作为垃圾填埋场，水坝中防渗衬垫的外掺剂。针对以上问题，纳米材料的出现为土体改良提供了新颖的解决思路。

纳米技术的概念源自于1959 年理查德·费曼在加州理工学院举行的美国物理学会年会上所作的一次题为“物质底部大有空间”的著名演讲 ,此后纳米科学与技术作为探索纳米尺度微观世界的新领域开始快速发展。纳米材料指的是在三维空间中至少一维处于1～100 nm之间的微粒，由于其特有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应被广泛应用于微电子、生物工程、化工、医学等领域，纳米材料的出现打破了不同学科之间的界限，被公认为是21世纪最有前途的领域 。

随着纳米技术的成熟，纳米材料成本的降低，以及交叉学科之间的发展，其在土木工程领域的应用引起了广泛重视，尤其在水泥基材料和涂层材料的应用方面已经取得一系列的进展。例如(1)改善混凝土的渗透性和主要力学性质;(2)向水泥基材料中添加纳米材料，在内部形成导电网络和导电通道，使其具有机敏性，研制纳米传感器和自感应混凝土，实现对结构的健康监测 ;(3)研制防腐、自清洁涂层 。

纳米材料作为新型添加材料，为土体加固提供了一种新颖、智能、可持续性的方案，未来在岩土工程中必将获得广泛的应用。然而，纳米技术在岩土工程中的应用研究仍处于探索阶段，其中大部分为室内试验，主要围绕改善土体抗压、抗剪强度、水力传导系数、抗液化能力等开展一系列试验。本文以纳米材料改良土体的试验研究为背景，按照不同纳米材料种类，梳理总结纳米材料在土体改性中的研究现状和存在的问题，旨在为未来开展此方面研究提供一些参考。

图5 纳米材料加固土样机理示意

2.2 对水泥土性质影响

BAHMANI等 掺入不同粒径Nano-SiO (0.2%、0.4%、0.8%、1%)和水泥(4%、6%、8%)对花岗岩残积土进行加固。UCS在0.4% Nano-SiO2和8%水泥时达到最大值，水力传导系数也表现出类似的特点，原因是过量的纳米颗粒不利于在土中均匀分散。为了进一步研究Nano-SiO 的含量和粒径大小对残积土的加固过程，BAHMANI等对土样进行了无侧限抗压强度、电阻率、XRD、FTIR、Zeta电势、阳离子交换能力(CEC)测定以及SEM扫描，结果显示Nano-SiO 的加入促进二次水化产物的形成，并且由于小粒径有着更大的比表面积，性能优于大粒径Nano-SiO,UCS最大达到2 000 kPa, 如图6所示。

图8 纳米材料对土样湿陷特性的影响

一般来说，随着纳米黏土颗粒的掺入，土体的塑性和液限均有所提高，较高的塑性进一步增加了土体潜在的收缩膨胀能力，较高的液限意味着更高的容水量，从而降低强度。对强度和压缩性具有较高要求的结构(如路基和挡土墙),使用纳米黏土可能是不利的。但是，增加的塑性指数一般也意味着水力传导系数的降低，此外纳米黏土的加入提高了土体膨胀以及自我修复的能力，在土坝、垃圾填埋场衬垫中添加纳米黏土是一种防止水体泄露和管涌的有效方法。

3.2 纳米黏土溶胶

3.2.1 膨润土悬浮液

膨润土被称为天然纳米材料，其成分主要为蒙脱石，片状颗粒的厚度约为1 nm, 直径200～1 000 nm, 具有极高的吸水膨胀性。一般认为土体的液化阻力随着塑性指数的增大而增加，由于膨润土的高塑性以及悬浮液的触变性，是处理砂土液化的理想材料。

膨润土在分散时具有较高黏度，凝胶化时间很短，不利于在砂土中大面积且均匀运输。SANTAGATA等 通过掺入焦磷酸钠来降低膨润土悬浮液的初始屈服应力和黏度，提高注浆渗透的可行性。EL MOHTAR等 通过共振柱和循环三轴试验表明膨润土的存在增加了液化阻力，并且随着水化龄期的推移，循环阻力可增大10 倍，液化所需的循环次数显著增加，证明了10%膨润土、0.5%焦磷酸钠分散液渗透改善土体液化能力的可行性和有效性。WITTHOEFT等 利用有限差分软件FLAC证实膨润土预防现场土体液化的可靠性。膨润土能有效增强砂土的液化阻力，这是因为膨润土具有孔隙流体的流变特性，在孔隙空间中形成具有固体性质的膨润土凝胶可以抑制地震作用下砂粒的运动。基于膨润土的低成本、环境友好以及对其的使用已有较多工程经验，可以作为土体改良剂广泛使用。

3.2.2 硅酸镁锂

硅酸镁锂又称锂皂石，是一种蒙脱石类黏土矿物，为硅-氧四面体和镁-氧八面体按2∶1周期性排列形成的层状硅酸盐纳米颗粒，通常直径为25 nm, 厚度为1 nm, 大概是膨润土尺寸的十分之一，并且塑性指数可高达1 100%,在水中分散时水化膨胀形成单分散悬浮液，具有良好增稠性和触变性 。HUANG等 探究了硅酸镁锂对粉砂抗液化能力的影响，试验指出了硅酸镁锂溶胶黏度随时间的变化规律，发现随着时间的增长，孔隙中的硅酸镁锂胶体表现出类似固体的性质，对土颗粒产生胶结作用，同时由于硅酸镁锂胶体具有触变性，随着循环荷载次数的增加，液化阻力会有所下降，但延缓了粉砂的液化行为。OCHOA-CORNEJO等 指出即使1%的高酸镁锂也可以增加液化循环次数，主要原因是高酸镁锂在静电作用下吸附到砂颗粒表面，在砂粒接触面间产生胶结。相比膨润土，人工合成的硅酸镁锂性质更一致，尺寸更小，易在土体中渗透运输，值得继续深入研究和扩大应用。

LUO等 向软土中加入15%的3∶1污泥灰/水泥混合物以及0%～3%的Nano-Al O ,结果力学指标提高程度有限，考虑经济效应，Nano-Al O 的最优添加量为1%。周斌等 将Nano-Al O 作为外掺剂改善黏土力学性质，在含量为4%时抗压强度增幅最大。王文军等 按1∶2的比例将Nano-Al O 和Nano-SiO 进行混合，用于滩涂淤泥固化土的强度改性。试验表明，在硫酸盐溶液或者海水的养护条件下，固化土的强度总体呈现增加趋势，说明纳米混合物均表现出良好的抗侵蚀效果。

TAHA等 对比了纳米黏土、Nano-Al O 、Nano-CuO对土体膨胀和收缩性质的影响，研究表明纳米材料在改善土体干燥收缩裂缝开展的同时不会造成土体水力传导系数的增大。类似的，COO等 通过收缩试验研究Nano-CuO和γ-Al O 在质量分数2%、4%、6%条件下的收缩极限和体积变化情况，无收缩阶段与收缩阶段的交点，即孔隙比不变时对应的含水率为收缩极限，在Nano-CuO和γ-Al O 含量6%时收缩极限达到最大，相比未掺入纳米材料的土样，增加比例17%和8%;体积变化量随着纳米材料含量增大而减小，在含量2%时，与未加纳米材料时对比下降幅度最大，分别可达10%和6%。对于采用黏土等作为水力屏障的工程来说，添加纳米材料可以有效减少因体积的收缩变形所带来的裂缝。

碳纳米管由科学家IIJIMA 于1991年率先发现，是迄今为止纳米技术中涌现的最有前途的新材料之一。它的名字来源于它的长而中空的结构，管壁由石墨烯片卷曲构成，属于富勒烯家族成员。碳纳米管的弹性模量和抗拉强度分别可高达1 TPa和200 GPa, 理论强度是钢材料的100 倍，却又比其轻6 倍 。TAHA等 对比了碳纳米管(MWCNTs)和碳纳米纤维(CNFs)对软土加固的影响，纳米碳的加入使土样抗压强度、杨氏模量和抗拉强度显著提高。王鑫将掺有碳纳米管的硅溶胶注入砂土中，通过静三轴、循环动三轴、损伤试验和电镜扫描分析，指出碳纳米管可以抑制硅凝胶裂纹的开展，从而提高试样强度。纳米碳的纳米直径和极高长径比使其在更小尺度上分布和桥接土颗粒间空隙成为可能，在纳米水平上与土体形成复合增强体，更好实现土体强化的目的。

CHOOBBASTI等 探究纳米碳酸钙和废旧地毯纤维对黏土的加固效果。超声波脉冲速度测定显示速度随着纳米碳酸钙的增加而增加，原因是纳米材料促进土颗粒胶结，减少土中孔隙和裂缝，有利于超声波的传播。MENG等发现纳米碳酸钙可以提高水泥土在海洋环境下的力学性能，添加3%纳米碳酸钙于水泥含量分别为15%、22%的土样中，在海洋环境的养护条件下，30 d抗压强度分别提高14.2%和7.8%,180 d抗压强度提高22.8%和14.8%,结合微观结构分析，原因是纳米碳酸钙促进水泥水化产物生成，使得土体结构更加密实，拥有更高的强度和抵抗海洋环境侵蚀的能力。陈学军等 向红黏土中掺入0.8%、1.6%、2.4%纳米碳酸钙，发现其抗剪强度先减小后增大，但是仍低于未处理土样的强度，原因是碱性纳米碳酸钙有效减少氧化铁胶结，导致重塑红黏土的黏聚力和内摩擦角均减小。

任真等 开展了不同含水率，不同含量下纳米氧化镁改性黏土试验。LI等 通过快速沉淀法制备Mg(OH) 、Ca(OH) 纳米颗粒，并对比了两者对土体的加固效果。纳米颗粒的加入使得双电层厚度减小，阿太堡界限减小。ZHANG等 将纳米技术结合电渗排水法，利用Al O 胶体包裹Nano-SiO 微粒，通过修饰使其表面带正电荷，电渗试验中发现这种复合微粒可以增强土体在电渗排水过程中的电流强度和排水效率。

从目前的研究成果来看，纳米材料正作为一种新型的外掺剂应用于土体的改良中。现有研究内容主要围绕纳米材料-土复合体的塑性特性、压实特性、强度性质、水力传导系数、抗液化能力等展开研究，将宏观力学性质变化结合微观结构和成分变化验证不同纳米材料包括纳米二氧化硅、纳米黏土、纳米氧化铝、纳米碳酸钙等粉末状颗粒以及纳米硅溶胶、膨润土悬浮液、硅酸镁锂等溶胶类改善土体性质的可行性和有效性。通过对研究现状的总结得到以下结论。

(1)尽管不同纳米材料，不同试验条件下得到的数据结果在基本特性如液塑限、塑性指数、最优含水率、最大干密度方面有所区别，但是毫无疑问的是只需掺入少量的纳米材料就可以显著改善土体的物理力学性质，这种积极影响主要得益于于纳米粒子的高表面积和表面电荷。其中，纳米二氧化硅作为最常见的材料可用于促进水泥土中的水化反应；纳米黏土提高土体的自修复能力，适用于土坝、垃圾填埋场等工程；纳米氧化铝则可减少土体的收缩裂缝，未来可根据实际工程情况选择最佳的纳米材料。

(2)为了对软黏土性质产生明显影响，应适当量化纳米粒子的加入以减少团聚，最优掺量一般在土体总质量的0.1%～5%之间。同时均匀混合对获得预期结果也起着至关重要的作用，目前的研究对于固体颗粒常采用两种混合方式，一是将干燥土样与纳米粉末均匀混合后加水搅拌，另一种方式为将粉末颗粒在水中分散后，分层喷洒拌合制备土样。由于缺少统一的混合程序，在现场工程中操作性难，纳米粉末状颗粒的应用仍然局限于室内试验。

(3)在减轻砂土的液化效应方面，主要采用的纳米溶胶有纳米硅溶胶、膨润土悬浮液、硅酸镁锂，利用其在适当龄期后表现出的高黏度性质，增加循环荷载阻力，缓解液化行为。由于在实际工程中的可操作性和环境友好性，纳米溶胶在土体液化缓解方面有很大的应用前景。

总的来看，纳米材料改良土体可以应用于地基、道路、垃圾填埋场、水坝等实际工程来改善土体性质，应从微观层面对土进行全面的研究以及促进纳米技术的发展。预计随着生产技术和制造水平的改进，未来纳米材料的成本会不断降低，在岩土工程中的应用将带来更好的经济和社会效益。近20年来，许多学者在纳米材料对土体力学性质改良方面进行了初步的试验探索，取得了有价值的研究成果，但仍有许多方面值得进一步探究：

(1)考虑如何使纳米材料在土体中均匀分散，建立统一的混合程序，减少其团聚现象提高利用率；进一步研究纳米颗粒对土体冻胀量、冻融循环后力学性质的影响，将其运用于寒区冻土工程。

(2)土体宏观性质由微观层面的相互作用所控制，因此研究矿物成分和结构排列对于解释土体性质变化具有很大意义，可从纳米力学、分析化学的角度解释颗粒间的力学行为，例如摩擦、蠕变、热效应、化学效应等。

(3)建立系统的纳米技术与岩土工程结合的研究方法，提出相应的应用技术和行业标准，着重于将纳米材料运用于实际工程中，对比分析与室内试验的区别，总结规律经验。

(4)纳米胶体溶液渗透加固实际现场的案例仍很少，其中关键问题在于保证溶胶在土体中的运输、加固区域的控制，需要进一步对胶凝时间以及胶凝条件展开系统研究，结合数值模拟优化浓度、pH值、水力梯度等参数的选择，预测加固范围，为实际工程提供切实可行的设计方法。

(5)已有研究表明，部分纳米材料可以加快电渗排水，未来研究可对纳米材料表面进行功能性修饰，将纳米材料结合电渗法加固土体，跨越不同学科探究和理解纳米材料的加固机制。

水利水电技术

水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。