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（一）植物防护的原理

植物防护技术是利用植物涵水固土的原理稳定表层岩土，美化生态环境的一种新技术，是综合岩土工程、恢复生态学、植物学、土壤肥料学等多学科于一体的复合工程技术。它是通过种植草、灌木、树，或铺设工厂生产的绿化植生带等加固表层岩土体、防止岩石风化、减轻地表水入渗和冲刷，达到防止表层崩塌或滑坡的目的。适用于浅层崩塌或滑坡的防治以及治理工程实施后的环境恢复和美化。

植物防护技术具有力学锚固效应、水文效应和生态效应等多方面的作用。

1.植物的锚固效应

（1）深根的锚固作用

植物的垂直根系穿过坡体浅层的松散风化层，锚固到深处较稳定的岩土层上，起到锚固作用。小灌木、豆科植物在地下0.75～1.50m深处有明显的土壤加固作用，树木根系的锚固作用可影响到地下更深的岩土层。试验表明，根的直径越细，其抗拉强度越高，直径2～5mm的各种类型的根，其抗拉强度为8～80MPa。

（2）浅根的加筋作用

在基质及土体中盘根错节的根系，使基质及土体在其延伸范围内成为土与草根的复合材料，草根可视为三维加筋材料。

2.植物的水文效应

（1）降低坡体孔隙水压力

降雨是诱发崩塌、滑坡失稳的重要因素之一。植物通过吸收和蒸腾坡体内的水分，可降低土体的孔隙水压力、增加土体内聚力、提高土体的抗剪强度，有利于坡体的稳定。

（2）截留降雨、削弱溅蚀、控制水土流失

一部分降雨在到达坡面之前被植物截留，可以削弱雨水溅蚀坡面土体的动能，防止片蚀、沟蚀的出现，从而控制水土流失的发展。通常情况下，土体流失量随植被覆盖率的增加而锐减。

3.植物的生态效应

密集的植物根系呈网状分布于土壤中，其分泌出的具有胶结作用的分解产物有助于防止坡体岩石的风化剥落。同时，根茎的腐烂分解为土壤微生物增加了碳、氮和其他生物养分，有助于生态环境的恢复。

不同植物对坡面的防护效果也不同。草本植物属于水平根型，主根不发达，侧根或不定根相对发达，并向四周扩展，根系多分布于土壤表层，即主根扎入土体不深，故其护坡作用主要表现为增强坡面的抗冲刷性能。木本植物属于垂直根型，主根发达，可扎入土体深层，其力学作用相当于以主根为轴向、侧根为分支的全长粘结型锚杆，故其固坡效果十分显著。

此外，植物的固坡作用效果还取决于边坡类型（主要是边坡岩土体结构特征）与所选植物的匹配关系。二者匹配良好，则植物的固坡作用显著；反之，则固坡作用微弱。

（二）植物种类选型设计

1.选型原则

科学地选择适宜于边坡的植物种类是建立坡面植物群落的重要工作之一。不同的植物具有各自不同的基因特性，因而表现出对环境条件的不同适应性，护坡植物种类的选择应遵循以下原则：

1）适应当地的气候条件；

2）适应当地的土壤条件（水分、pH值、土壤性质等）；

3）具有较强的抗逆性（抗旱性、抗热性、抗寒性、抗病虫害等）；

4）生长快、根系发达；

5）种子易得、成本合理。

2.选择依据

（1）气候条件

光照、气温、湿度、降水、风等气候条件都影响植物的生长发育，但在选择边坡植物时，主要应考虑的气候因素是气温和降水。

（2）土壤条件

土壤的厚度、成分、肥力、结构、酸碱性、盐碱性等与植物的生长发育密切相关，决定着植物能否正常生长，其中尤为重要的因素是土壤的肥力、结构、pH值等。

（3）种植目的

用于崩塌或滑坡防护的植被，主要目的是固土护坡、防止水毁及美化环境。因此，要求植物的根系深并能快速地覆盖地表。

3.植物种类的气候区划类型

我国各大地区常用的护坡植物见表2－26。

表2－26 我国各大地区主要可用的护坡草坪植物

气候区划是在气候分类的基础上，将不同气候类型的地域分布加以区分，寻找不同气候类型分布的范围和分区界线。植物生长要求的生态条件很多，从气候因子来看主要是热量，包括年平均气温、最冷月气温、最热月气温、温差、无霜期；其次是水分，按年降水量进行度量，草坪草的气候区划就是以上述气候生态条件作为基础，按照草坪草对气候生态因子的要求，选择最适草种。

（三）典型的植物护坡技术设计

1.铺草皮护坡

铺草皮是较常用的一种护坡绿化技术，是将培育的生长优良健壮的草坪，用平板或起草坪机铲起，运至需要绿化的坡面，按照一定大小、规格重新铺植，使坡面迅速形成草坪的护坡绿化技术，草皮应选择根系发达，茎矮叶盛的耐旱草种，如白茅草、假俭草、绊根草等。

铺草皮护坡具有成坪时间短、护坡见效快、施工季节限制少和前期管理难度大的特点。

（1）适用条件

根据铺草皮护坡在国内不同地区、不同类型边坡的应用经验，初步确定其适用条件包括以下方面。

1）应用地区：各地区均可应用，但在干旱、半干旱地区应保证养护用水的持续供给。

2）崩塌或滑坡体所处边坡状况：各类土质边坡均可应用，强风化岩质边坡也可应用。其坡率一般不超过1∶1，局部不陡于1∶0.75，坡高一般不超过10m。由于铺草皮只是起表面防护作用，因此边坡自身必须稳定。

3）施工季节：春季、夏季和秋季均可施工，一般以春秋两季最为适宜。

（2）铺草皮护坡的施工方法

铺草皮护坡的施工工序为：平整坡面→准备草皮→铺草皮→前期养护。

1）平整坡面：清除坡面所有石块及其他一切杂物，翻耕20～30cm，若土质不良，则需改良，增施有机肥，耙平坡面，形成草皮生长床，铺草皮前应轻振1～2次坡面，将松软土层压实，并洒水润湿坡面。理想铺草皮的土壤应湿润而不是潮湿。

2）准备草皮：在草皮生产基地起草皮。起草皮前一天需浇水，这有利于起卷作业，同时也保证草皮卷中有足够的水分，不易破损，并防止在运输过程中失水。草皮切成30cm×30cm大小的方块，或30cm×200cm的长条形，草皮块厚度2～3cm。为保证土壤和草皮不破损，起出的草皮块放在用30cm×30cm的胶合板制成的托板上，装车运至施工现场。长条形的草皮块可卷成地毯卷，装车运输。

3）铺草皮：铺草皮时，把运来的草皮顺次平铺于坡面上，草皮块与块之间应保留5mm的间隙，以防止草皮块的运输途中失水干缩，遇水浸泡后出现边缘膨胀，块与块之间的间隙应填入细土。铺草皮时应避免过分地伸展和撕裂。在每块铺好的草皮4个角用尖桩固定。尖桩为木质或竹质，长20～30cm，粗1～2cm。钉尖桩时，应使尖桩与坡面垂直，尖桩露出草皮表面不超过2cm。待铺草皮告一段落后，用木锤把草皮全面拍一遍，以使草皮与坡面贴紧。在坡顶及坡边缘铺草皮时，草皮应嵌入坡体内，与坡缘衔接处应平顺，以防水流沿草皮与坡面的间隙渗入使草皮下滑。草皮应铺过坡顶肩部100cm或铺至天沟，坡脚应作砂浆抹面处理。

为节约草皮，利用草坪分孽和匍匐茎蔓延的特点，也可采用间铺法和条铺法。

间铺法：草皮块可切成正方形或长方形，铺装时按一定的间距排列，如棋盘式、铺块式等。此种方法铺草皮时，要在平整好的坡面上，按照草坪形状和厚度，在计划铺草皮的地方挖去土壤，然后镶入草皮，必须使草皮块铺下后与四周相平，经过一段时间后，草坪匍匐茎向四周蔓延直至完全接合，覆盖坡面。

条铺法：将草皮块切成6～12cm宽的长条，两块草皮条平行铺装，其间距为20～30cm。铺装时，在平整好的坡面上，按草皮的宽度和厚度在计划铺草皮的地方挖去土壤，然后镶入草皮，保持草皮与四周坡面相平。经过一段时间后，草皮即可覆盖坡面。

4）前期养护：①洒水：草皮从铺装到适应坡面环境健壮地生长期间，每天都要及时进行洒水，每次洒水量以保持土壤湿润为原则，每天的洒水次数视土壤湿度而定，直至出苗成坪。②防治病虫害：当草苗发生病害时，应及时使用杀菌剂防治病害，常用喷射药剂有代森锰锌、多菌灵、百菌清、福美霜等。在使用杀菌剂时，应掌握适宜的喷洒浓度。为防止抗药菌丝的产生，使用杀菌剂时，可以用几种效果相近的杀菌剂交替或复合使用。对于常发生的虫害如地老虎、蝼蛄、蛴螬、草地螟虫、粘虫等，可进行生物防治和药物防治相结合的综合防治方法，常用的杀虫剂是有机磷化合物杀虫剂。③追肥：为了保证草苗茁壮成长，有条件时可根据草皮生长需要及时追肥。

2.液压喷播植草护坡

液压喷播植草是将草种、木纤维、保水剂、粘合剂、肥料、染色剂等与水的混合物通过专用喷播机喷射到预定区域建植草坪的高效绿化技术。由于喷出的含有草种的黏性悬浊液具有很强的附着力和明显的颜色，喷射时不遗漏、不重复，可以均匀地将草种喷播到目的位置。在良好的保湿条件下，草种能迅速地生长发育成为新的草坪。因此，液压喷播植草是一种高速度、高质量和现代化的绿化技术，此项技术被广泛应用于公路、铁路和水利工程等边坡绿化工程。

（1）适用条件

根据液压喷播植草护坡在国内不同地区、不同类型边坡的应用经验，初步确定其适用条件如下：

1）应用地区。各地区均可应用，但在干旱、半干旱地区应保证养护用水的持续供给。

2）崩塌或滑坡体所处边坡状况。各类土质边坡均可应用，土石混合边坡经处理后方可采用。其坡率一般为（1∶1.5）～（1∶2.0），当坡率超过1∶2.5时应结合其他方法使用。每级坡高一般不超过10m，同时要求边坡自身必须稳定。

3）施工季节。施工季节一般以春秋两季较为适宜，应尽量避免在暴雨季节施工。

（2）施工方法

液压喷播植草护坡的施工工序为：平整坡面→施工排水设施→喷播→盖无纺布→前期养护。

1）平整坡面。交验后的坡面，采用人工细致整平，消除所有的岩石、碎泥块、植物、垃圾。对于填土土质条件差，不利于草种生长的坡面采用回填改良客土，厚度为50～75mm，并用水润湿让坡面自然沉降至稳定。若pH值不适宜，尚需改良其酸碱度，土壤pH值的改良一般在播种前一个月进行，以增加改良效果。

2）施工排水设施。排水系统的设置是否完善和合理直接影响边坡植草的生长环境。对于长大边坡，坡顶、坡脚及平台均需设置排水沟，并应根据坡面水流量大小考虑是否设置坡面排水沟。一般坡面排水沟横向间距为40～50m。

3）喷播。按设计比例配置草种、木纤维、保水剂、粘合剂、肥料、染色剂及水的混合料，并通过喷播机均匀地喷播于坡面。建议配合比为每平方米用水4000mL，纤维200g，粘合剂（纤维素）3～6g，保水剂、复合肥及草种视具体情况而定。

4）盖无纺布。雨季施工，为使草种免受雨水冲失，并实现保温保湿，应加盖无纺布，促进草种的生长，也可采用稻草、秸秆编织席覆盖。

5）前期养护。主要包括①洒水：用高压喷雾器将养护水成雾状均匀地湿润坡面，注意控制好喷头与坡面的距离和移动速度，不要产生高压射流破坏坡面。养护期视坡面植被生长状况而定，一般不少于45天。②防治病虫害：定期喷广谱药剂，及时预防各种病虫害的发生。③追肥：为了保证草苗生长，应根据植物生长需要及时追肥。④及时补播：草种发芽后，应及时对稀疏或无草区进行补播。

上述介绍的两种典型植物护坡技术具有设计简单，可操作性强，成本低廉的特点，因而被广泛应用于我国各类边坡工程的坡面防护。除此之外，还有许多植物护坡技术，如植被混凝土绿化护坡、三维植被网护坡、挖沟植草护坡、骨架植被护坡、钢筋混凝土框架植草护坡、预应力锚索框架地梁植被护坡技术等。在此应说明的是，植物防护一般不作为滑坡稳定性计算因素参与设计，仅在表层土体滑塌和美化环境中加以考虑，并且多与格构、格栅等防护工程结合使用；在顺层滑坡、残积土滑坡中，采用植树等植物防护措施，需论证由于植物根系与水的作用加剧顺层或沿基岩顺坡滑动的可能性。

小 结

本章的学习重点是排水工程、重力式挡墙、削方减载、前缘回填压脚、植物防护的设计与施工，难点是锚杆锚索、抗滑桩的设计与施工。可用于崩塌与滑坡治理的工程措施很多，在实际工作中，应根据具体情况，选择其中的一种或几种工程措施组成多个设计方案，并经方案比选后再进行防治工程的施工。抗滑桩的施工成本相对较高，工期较长，且设计的难度也相对较大，对于中小型滑坡一般较少采用。

复习思考题

1.崩塌与滑坡的防治工程措施有哪些？

2.锚杆有哪些类型？锚杆用于加固边坡时应如何进行设计？

3.预应力锚索的破坏形式有哪些？锚索的预应力损失有哪几种？

4.预应力锚索的施工包括哪些工序？

5.抗滑桩的破坏形式有哪些？如何进行抗滑桩的抗剪和抗弯验算？

6.抗滑挡土墙与一般挡土墙有什么区别？

7.在重力挡土墙设计时应进行哪些验算？

8.如何布设用于滑坡治理的地表排水工程？地下排水工程主要有哪些？

9.如何进行削方减载和回填压脚的设计？

10.在崩塌与滑坡治理中如何进行植物防护工程设计？

廖立兵

1 材料科学与工程学简介

1.1 基本概念

材料（Material）：人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器和其他产品的物质。

材料是物质，但不是所有的物质都可以称为材料，如燃料、化学原料、工业化学品、食物和药物，一般不算是材料。

材料是科学技术发展水平的标志，是国家现代化程度的标志。

材料科学、能源科学、信息科学是现代科学技术的三大支柱。

新材料、信息和生物技术是新技术革命的主要标志。材料科学（Material Science）是以晶体学、固体物理学、热力学和动力学、冶金学和化工等学科为基础，对材料的内在规律和应用进行探讨的科学。材料工程学（Material Engineering or Technology）是根据材料应用中所需要的性能，应用已知的规律和理论，从成分、结构、性质等直到工程中的具体应用进行设计和实施的科学。

材料科学与工程（Material Science and Technology）是研究和应用材料的成分、组织、结构、制备工艺与材料性能和用途之间关系的一门学科。

1.2 材料的分类

（1）根据材料的成分、显微结构和性质划分：无机非金属材料（Inorganic Nonmetallic Materials）、有机高分子材料（Organic Polymers）、金属材料（Metals and Alloys，Metallic Materials）和复合材料（Composites）。

（2）根据材料的性质和用途划分：①工程（结构）材料（Structural Materials）。由其结构特点而决定材料的强度、硬度等力学性能能够满足工程技术结构上的需要，主要应用于工程技术方面的一类材料。包括金属材料、陶瓷材料、高聚物材料、复合材料。②功能材料（Functional Materials）。具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料；是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料；同时对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。在全球新材料领域中，功能材料约占85%。特种功能材料对高技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是新世纪生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为各国新材料领域发展的重点，是各国高技术发展中的战略竞争热点。功能材料按使用性能分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料、机敏（智能）材料。

（3）纳米材料（Nano-Materials）：是关于原子团簇、纳米颗粒、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体材料的总称。原子团簇：包含几个到数百个原子或尺度小于1nm的粒子，是介于原子与固体之间的原子集合体。纳米颗粒：尺寸大于原子团簇，小于通常的微粒，一般尺寸为1～100nm。纳米薄膜：指含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米尺寸厚度的薄膜、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米粒子复合涂层或多层膜。具有准三维结构与特征，性能异常。纳米固体：由纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的核中的原子排列来获得具有新原子结构或微结构性质的固体。纳米晶体材料（有高密度缺陷核，超过50%的原子位于缺陷核内），纳米结构材料（由弹性畸变结晶区所分隔的许多缺陷核心区所组成），纳米复合材料（O-O复合：不同种类纳米粒子复合；O-2复合：纳米粒子分散到二维薄膜材料中；O-3复合：纳米粒子分散到三维固体中）。纳米微粒的基本性质：电子能级不连续（准连续能级离散化）、量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应。由于纳米粒子具有特殊性质，导致纳米材料具有一系列特殊性质。

（4）多孔材料（Porous Materials）：具有高比表面积、高吸附性、离子交换性等性质。在吸附、分离、催化、纳米技术、分子识别、石油化工、精细化工和分子电子器件等领域广泛应用。根据国际纯粹与应用化学学会（IUPAC）的分类方案，将多孔材料依孔径大小分为：微孔材料（d＜2nm）、介孔材料（2nm＜d＜50nm）、宏孔材料（d＞50nm）。

（5）材料研究的四要素：性质与性能（Property and Performance）、成分（Composi-tion）、结构（Structure）和合成与加工（Process）

2 矿物材料学简介

2.1 基本概念

矿物材料（Mineral Material）：以天然矿物或岩石为主要原料，经不以提纯金属和化工原料为目的的加工、改造所获得的材料或者能直接应用其物理、化学性质的矿物或岩石。矿物材料学（Mineral Material Science）：是研究矿物材料的成分、结构、性质、性能、加工制备工艺及相互间的关系和矿物材料的工程应用技术的一门综合性边缘学科。

2.2 矿物材料学的研究内容

基础理论研究：矿物材料的性质与其矿物成分、非晶质成分、化学成分、微量元素等物质组分的关系；矿物材料的性质与其所含矿物的晶体结构、晶体化学、多型、结晶度、有序度等以及岩石结构、构造等的关系；矿物材料的性质与其晶界、表面、粒度等的关系；矿物材料的性质与其使用的原料种类、矿石类型、原料产地等的关系；矿物材料的性质与其加工改造温度、压力、气氛、矿化剂、黏结剂、乳化剂、偶联剂等加工工艺条件的关系；等等。

生产技术和应用研究：矿物材料的生产工艺路线、流程、设备、最佳配方等工程技术问题，以及矿物材料的应用领域、适用条件和保存方法等。

2.3 矿物材料的分类

按矿物材料的成分、结构和性质划分（一元系、二元系……）；

按矿物材料的用途划分（陶瓷、玻璃、耐火材料……）；

按矿物材料的状态划分（单晶、多晶、非晶、复合、分散）；

按加工工艺特点划分：天然矿物材料、深加工矿物材料、复合及合成矿物材料；

综合分类：熔浆型材料（熔注结晶、玻璃釉料纤维等）、烧结型材料（耐火材料、陶瓷等）、保温材料、胶凝型材料、其他材料（建筑石材、粉体材料等）；

建议的分类方案（按材料性质和用途划分）：结构矿物材料（石材、结构陶瓷、矿物增强聚合物复合材料等）、功能矿物材料（环境矿物材料、纳米矿物材料、生物医用矿物材料、特种功能矿物材料等）。

2.4 矿物材料研究的意义

非金属矿产在国民经济中具有十分重要的作用，几乎应用于国民经济的各个领域，随着科学技术的不断发展，非金属矿产的应用领域还在不断扩大。在经济发达国家，非金属矿产的总产值大于金属矿产的总产值，因此一些学者把非金属矿产值是否大于金属矿产值作为衡量一个国家是否达到工业化国家的标志，并预言21世纪将进入“新石器时代”。非金属矿产的开发应用不仅在于是否掌握有非金属矿产资源，更在于是否掌握了非金属矿产开发应用的先进技术。我国非金属矿产资源非常丰富，已探明储量的就有87种，产地6000多处。但由于我国非金属矿产开发应用技术落后，大多数非金属矿产均为粗加工制品，因此总产值很低。

开展并加强矿物材料学研究对提高我国非金属矿物资源利用水平，提高人民生活质量，推动经济和社会发展具有重要意义。

3 我国矿物材料学研究现状

3.1 非金属矿物原料深加工研究

研究主要朝着超细粉碎、精细分级、提纯改性和多品种方向发展。由于在粉碎技术、超细粉碎和分级设备研制方面取得进展，我国目前已能进行多种粒度的粉碎和分级，个别矿种的粉碎分级水平已达国际先进水平。提纯研究也取得很大进展，主要表现在：针对新矿种的提纯新工艺大量涌现，传统非金属矿提纯工艺有了改进，微细粒提纯及高纯加工工艺设备有显著发展。

总之，在理论、方法、设备、选矿工艺、选矿药剂的应用研究方面都取得了可喜的成果。我国目前已基本具备成熟的加工高纯石墨、石英、硅藻土、高岭石、膨润土、金红石等的技术。

3.2 矿物孔道或层间域的离子、分子交换、插入有关的研究

已成为矿物材料研究的热点。研究对象主要是沸石等具孔道结构的矿物、岩石和以蒙脱石为主的各种粘土矿物和石墨等层状结构矿物。研究内容包括：孔道或层间离子交换技术及其应用；粘土矿物层间“柱撑”、插层技术及其应用等。目的是利用这些矿物孔道或层间域中的物质可交换性和层间域的可膨胀性质，或通过对这些性质加以改造，使其具有新的可利用的优异特性。比如通过对粘土矿物、沸石或膨胀石墨进行改性处理，使其具有吸附不同有害组分的性能，制备可用于各种环境治理的吸附剂。这方面的研究和应用领域很广，除在污水治理方面的应用外，改性过的孔道结构和层状结构矿物岩石还广泛用作催化剂载体、肥料增效剂、防水剂、膨胀剂、防沉降剂、凝胶剂、黏结剂、增塑剂、增稠剂、悬浮剂、脱色剂、导电材料、快离子导体材料、染色剂、干燥剂、过滤剂等。

3.3 矿物表面改性技术及其应用研究

即利用物理、化学方法对矿物表面进行处理，改变其表面性质，如表面原子结构和功能团、表面疏水性、电性、化学吸附和反应特性等，达到改善或提高矿物应用性能的目的。主要是为将矿物作为填料加到各种有机聚合物中时，使矿物与聚合物间有好的相容性，同时也提高矿物填料在聚合物中的分散效果。研究内容主要包括：表面改性剂的选取，不同表面改性剂对不同矿物的作用效果，表面改性工艺，表面改性效果等。

表面改性剂分有机和无机两类：①有机表面改性剂：偶联剂（硅烷类、钛酸酯类、锆类和络合物类等）、高级脂肪酸及其盐类、聚烯烃低聚物、不饱和有机酸、有机胺；②无机表面改性剂：氧化钛、氧化钠、氧化铁、氧化锆、氧化铝、氧化硅等金属氧化物。

目前应用最广泛的表面改性剂是偶联剂，其中又以硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂应用最多。硅烷偶联剂对表面有活性羟基的矿物作用效果较好，对硼、铁、碳的氧化物作用效果次之，对表面不含羟基的碳酸盐、碱金属氧化物几乎无效。

钛酸酯类偶联剂对矿物适用范围广，对表面有活性羟基的石英以及表面呈中性或碱性的碳酸钙、二氧化钛、长石、角闪石等大多数非金属矿物都有较好的偶联效果。

3.4 以非金属矿物为原料的新型建材研究

非金属矿物作为建材原料是矿物材料最传统的研究领域。随着科学技术的发展，这一领域的研究水平也随之提高，新技术不断涌现，仍然是矿物材料研究的一个重要领域。

研究内容主要集中在三个方面：传统原料矿物的应用新工艺研究、新原料矿物的发现和代替传统原料矿物的研究、新型建材开发研究。

应用领域极为广泛，涉及各种涂料、耐火材料、水泥、玻璃、陶瓷制品等。

3.5 非金属矿物中有用元素综合利用研究

一般而言，非金属矿产开发利用不以提取和利用其中的某种元素为目的，这是与金属矿产最大的区别。

由于资源紧缺和一些非金属矿物、岩石具有特殊的成分、结构，综合利用非金属矿物中某些元素的研究越来越受重视。

例如，由于我国钾资源严重短缺，已成为影响我国农业发展的一大因素，而很多非金属矿物岩石又富含钾元素，因此开发利用非金属矿物岩石中的钾，引起矿物材料研究者的关注，钾长岩、含钾页岩、伊利石等富钾矿物岩石相继被进行过活化、制备成矿物钾肥。

3.6 合成矿物材料研究

合成矿物材料的研究包括两个方面：利用某种天然矿物合成另一种矿物；用化学试剂合成矿物。

主要新成果：用凹凸棒石与磷酸反应生产活性二氧化硅、用天然沸石生产超轻硅酸钙、用叶蜡石合成沸石、人工合成金刚石、人工合成皂石、人工合成黄铜矿型太阳电池材料、以石英、粉煤灰等为原料，合成氮化硅、sialon等。

3.7 环境矿物材料研究

环境矿物材料是指以天然矿物岩石为主要原料，在制备和使用过程中能与环境相容和协调或在废弃后可被环境降解或对环境有一定净化和修复功能的材料。

利用天然矿物开发研制环境矿物材料具有得天独厚的条件，因为：矿物材料原料是天然矿物，与环境有很好的相容性；矿物材料生产能耗小、成本低；矿山尾矿综合利用本身即属于环境材料学研究内容；很多矿物材料有很好的环境修复、环境净化的功能。

因此，大力开展和加强矿物环境材料研究符合矿物材料的特点，建立环境矿物材料学科分支是时代的要求，是矿物材料的重要发展方向。

根据矿物材料的特点和在环保领域的应用情况，环境矿物材料的主要发展方向是：①环境工程矿物材料——即具有环境修复（如大气、水污染治理等）、环境净化（如杀菌、消毒、过滤、分离等）和环境替代功能（如替代环境负荷大的材料）的矿物材料；②环境相容矿物材料——即与环境有很好相容协调性的矿物材料（如生态建材等）。

矿物材料用于环保目的很早以前就开始，近年来更是备受关注，新技术、新材料、新应用成果层出不穷。

矿物材料除了在传统的污水处理、大气吸附、过滤脱色等方面应用水平不断提高外，在生态建材（如低温快烧陶瓷，具有保温、隔热、吸音、调光等功能的建材等）、杀菌、消毒剂、矿山尾矿综合利用等方面有新的应用技术和产品。

3.8 纳米矿物材料研究

这是矿物材料研究新领域，与以上很多研究领域相关。例如，非金属矿物深加工中的超细粉碎，正向纳米级方向发展，已制备出一些纳米级非金属矿制品；通过柱撑，将层状结构硅酸盐矿物剥离至纳米级颗粒用于橡塑制品增强等已成为层状结构矿物改性应用的新方向；微孔、介孔矿物材料的合成、充填（自组装）也将越来越受到人们的重视，等等。

3.9 生物医用矿物材料研究

包括生物医学材料和矿物药。

生物医学材料：用于和生物系统接合，以诊断、治疗或替换生物机体中的组织、器官或增进其功能的材料。又称生物材料。

矿物药：以天然矿物为原料或原料之一制备的各种药材。

3.10 特种矿物功能材料研究

例如发现光子晶体具有蛋白石型结构、有序方石英用于制备非线性光学晶体或作为制备光子晶体的模板、改性蒙脱石用于制备复合电极，具有高稳定性、可重复性和催化性的特点、纤维状海泡石作为增强材料用于制备摩擦材料。

3.11 矿物材料的其他应用研究

矿物材料研究还包括宝石加工和改善、矿物材料的基础理论研究等诸多方面，很难简单概括。宝石加工和改善已发展成一个专门领域，不作重点介绍。

4 矿物材料的重要发展方向

4.1 重要非金属矿物在不同物理场和化学环境中的各种效应研究

金属矿产主要是以应用它的某一元素为主，而非金属矿产主要是应用它的物化性质与工艺特性。工艺特性又主要取决于非金属矿物的化学组成、结构、构造和它的光学性、电性、热学性、磁性、声学性以及溶解、吸附、催化、扩散等物化特性。

因此，非金属矿物开发应用的基础是对非金属矿物的成分、结构及各种物化性能的研究。开展非金属矿物场效应及应用基础研究，将可获得重要非金属矿物完整的物化性能参数并查清这些参数与矿物成分、结构、外界环境间的关系，可建立起非金属矿物数据库，有利于开展矿物材料设计研究等。对改进已有的选矿工艺、改进现有的以这些矿物为原料的材料制备工艺、开拓这些非金属矿物新的应用途径和新的应用领域、开展矿物材料设计研究等都有十分重要的意义。

研究内容：在电场、磁场、光波、声波等作用下，或在各种化学环境中，对非金属矿物的各种参数（即非金属矿物的物化性能）进行测试；探讨这些参数与矿物成分、结构的关系，与外界条件的关系。

目的是获取重要非金属矿物全面的物理化学参数，为其有效应用或开拓其应用新领域奠定基础。

4.2 非金属矿物表面及界面学研究

矿物表面是指矿物和真空或气体的界面，表面有很多活跃的化学性质以及与体内不同的物理性质。

矿物材料界面是指矿物材料中相与相之间的接触表面。界面对多相矿物材料的性能起着极其重要的作用，甚至控制作用。表面与界面既有区别又有联系。矿物原料的表面是矿物材料界面的基础，对矿物材料界面有重要影响。因此矿物表面和界面的研究不能截然分开。矿物材料的表面及界面问题尚未获得足够的重视。随着矿物材料学的发展和研究的深入，表面、界面及其工程学研究将会成为矿物材料学研究的一个前沿领域。比如矿物超细、超纯加工、纳米矿物材料研制等都离不开表面、界面及其工程学。研究内容利用高分辨电子显微术、衍射衬度电子显微术、扫描隧道电子显微术、X射线能谱、电子能量损失谱、同步辐射连续X射线能量色散衍射等先进的分析测试技术，对矿物、矿物材料的表面、界面的层相组成及成分变化、位错类型及分布、残余应力等进行研究，在各种微观尺度上揭示表面、界面成分、结构细节及其与材料性能间的关系；重点研究架状、层状矿物的孔道结构特征、层间结构特征、孔道与层间域的各种化学、物理学特性等；研究各种产状、各种粒级矿物粉体的表面特性及与加工工艺间的关系。重点探讨矿物的超纯、超细工艺及其对矿物粉体表面、界面特性的影响；利用对矿物表面、界面的研究成果，利用已有的表面与界面工程学手段，研究开发以层状矿物为主的一系列重要非金属矿物的深加工新工艺技术，研制出一系列具优异性能的新型矿物材料。

4.3 矿物新材料设计研究

材料设计是近年来迅速形成和发展起来的一门材料学分支学科，是材料学理论和现代计算机技术相结合的产物，是社会经济发展对材料学研究提出的要求，因为传统的“试错”法已无法制备出能满足时代要求的新材料，只有在理论指导下进行“理性设计”，即根据对材料的具体要求，对材料配方、制备工艺、材料性能和行为机理进行预测。

矿物材料设计还未有人明确提出，但与此有关的工作已有一些报道。可以预料，随着矿物材料设计的开展，矿物材料研制水平将会提高到新的层次，矿物新材料也将不断出现。这项工作应注意吸引材料化学、材料物理学和计算机专业的专家学者广泛参与。

4.4 环境矿物材料学研究

近年来，环境矿物材料虽然发展迅猛，成果丰硕，但是环境矿物材料学作为一门学科分支还没有建立，环境矿物材料、环境工程矿物材料、环境相容矿物材料、环境降解矿物材料、环境负担性评估、生命周期评估（LCA）等概念尚未被广泛接受。

今后应进一步加强环境矿物材料学研究，提高环境矿物材料的研究和应用水平，扩大环境矿物材料的应用领域，发展环境矿物材料的相关理论（生态设计、生态加工、生态评价），扩大环境矿物材料在学术界、产业界的影响。

因此，发展环境矿物材料学仍然任重而道远。

4.5 农用矿物资源的高效应用理论及应用工艺研究

我国是人口大国、农业大国，面临着用少量土地养活众多人口的巨大压力。解决的途径只能是依靠科学种田，提高产量，保持生态平衡。天然非金属矿物在这些方面均可发挥重要作用。非金属矿物在农业上的应用主要包括：生产化肥，包括氮、磷、钾肥；微量元素化肥；稀土元素化肥、有机肥等；作饲料原料或添加剂；作为药剂矿物和载体矿物用于生产农药或直接用作农药；用于土壤改良。

以上应用均已有所开展，但应用技术水平低，范围窄，远远不能满足农业发展的需要，也远远没有充分发挥非金属矿物在这方面的应用潜力。比如我国是钾肥资源紧缺的国家，对含钾矿物岩石中的不可溶钾进行开发研究，可解决我国钾肥资源紧缺的问题。但目前这方面研究仍没有大的突破，主要问题是尚未寻找到高效、低成本、环境负担小的工艺技术。

研究内容包括：含钾矿物岩石钾元素活化、提取和综合利用新工艺研究；非金属矿物中微量元素、稀土元素和其他有用元素的综合利用研究；非金属矿物岩石在水土改良、生态环境改善方面的应用研究。

4.6 纳米矿物材料研究

由于纳米材料具有独特的成分、结构、性能及制备方法，这方面的研究仍将是材料学的前沿领域。纳米矿物材料与其他纳米材料相比，研究深度、广度均需提高。因此，除其他纳米材料所面临的共性问题外，纳米矿物材料更应加强以下方面研究：纳米矿物材料制备新技术、新型纳米矿物材料研制、纳米矿物材料有关理论研究。

参考文献

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曹茂盛，关长斌，徐甲强.2001.纳米材料导论.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社

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徐国财，张立德.2002.纳米复合材料.北京：化学工业出版社

漆宗能，尚文宇.2002.聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料理论与实践.北京：化学工业出版社

廖立兵.1998.我国矿物材料研究现状及几个应该重视的发展方向.见：中国矿物岩石地球化学学会第五届全国会员大会暨第六届学术交流会论文集.北京：经济出版社

倪文等.1998.矿物材料学导论.北京：科学出版社

邱克辉.1996.材料科学概论.成都：电子科技大学出版社

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