納米MgO改性濱海水泥土的直剪試驗(yàn)及微觀機(jī)理

張 陳，李 娜，王 偉，2，袁俊平，姜 屏，吳王意，傅克賢

（1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江紹興 312000；2.新加坡國立大學(xué)土木與環(huán)境工程系，新加坡 肯特崗 117576；3.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098）

1 研究背景

隨著沿海城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的建筑坐落在我國東南部的濱海軟土地區(qū)。由于濱海軟土具有含水量高、孔隙比大、滲透性小等特征，實(shí)際工程中需要進(jìn)行固化處理，一般采用摻入水泥或石灰來固化土體等方法。水泥土由于其來源廣、成本低、施工簡便的優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于地下連續(xù)墻、擋土墻、路基加固等工程中。然而，水泥的摻入雖然在一定程度上提高了土體強(qiáng)度，但是在實(shí)際工程中也會經(jīng)常出現(xiàn)強(qiáng)度不夠和變形較大的缺陷。因此，在傳統(tǒng)加入水泥固化劑的基礎(chǔ)上，研究者們試圖通過摻入其他材料提高土層的承載能力［1-3］。微小粒徑的固化劑通常具有比表面積大、活性好等優(yōu)良性能［4］，這使得一些研究者對采用超小粒徑的納米材料改善水泥土力學(xué)性能產(chǎn)生更多的思考［5-6］。

目前，改性水泥土的納米材料主要有納米SiO2、納米 TiO2、納米蒙脫土、納米 MgO、納米硅、納米Al2O3等。國內(nèi)外學(xué)者將納米材料應(yīng)用于土壤或水泥土中，發(fā)現(xiàn)適量的納米材料能提高水泥土或土的力學(xué)性能，包括：①Nazari等［7］研究了納米Al2O3對自密實(shí)水泥基材料性能的影響；②Kong等［8］研究了納米硅的摻入對水泥土力學(xué)特性的影響；③Bahmani等［9-10］研究發(fā)現(xiàn)納米SiO2能夠加速水化反應(yīng)，且粒徑15 nm改善其強(qiáng)度的效果較80 nm顯著；④Bo等［11］通過研究發(fā)現(xiàn)摻入TiO2可明顯地增強(qiáng)水泥基材料的抗壓強(qiáng)度；⑤Gao等［12］指出向土中加入納米MgO可提高其黏聚力。然而，有關(guān)納米MgO改性水泥土的研究鮮有報道［13］。

基于其優(yōu)良的特性，本文選取納米MgO作為摻入劑改性水泥土。近些年，研究較多的且能直接地反映抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的力學(xué)試驗(yàn)主要是直接剪切試驗(yàn)。直接剪切試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于實(shí)地勘察和理論試驗(yàn)研究，在抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中更具有代表性［14-15］。目前，水泥土的微觀分析方法主要是掃描電子顯微鏡圖像（SEM）分析方法；微觀分析技術(shù)的不斷進(jìn)步大大提高了水泥土微觀結(jié)構(gòu)分析水平，也相應(yīng)地取得較多的研究成果［16-17］。

綜上所述，有關(guān)水泥土的力學(xué)試驗(yàn)和微觀試驗(yàn)研究已相當(dāng)成熟，而關(guān)于納米MgO摻入水泥土后的研究較少，且目前很少有針對納米摻入水泥土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。因此，本文將對納米MgO改性濱海水泥土（NmCS）進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)及微觀試驗(yàn)，探討納米MgO對濱海水泥土力學(xué)性能的影響和加固機(jī)理。研究結(jié)果將對現(xiàn)場使用納米MgO改性水泥土的最優(yōu)摻量提供試驗(yàn)參考。

2 試驗(yàn)材料與測試儀器

2.1 試驗(yàn)材料

研究過程中試驗(yàn)部分主要材料有：土體、水泥、水、納米MgO。土體取自紹興市濱海某工地，為軟質(zhì)黏性土，呈暗灰色；濕密度為1.89 g／cm3、含水率為33.2%，其余參數(shù)見表1。

表1 紹興地區(qū)軟土基本物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Basic physical and mechanical properties of soft clay in Shaoxing area

試驗(yàn)所用水泥是紹興上虞海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的海螺牌32.5普通硅酸鹽水泥，其初凝時間為210 min，終凝時間為295 min。

試驗(yàn)所用納米MgO是西格瑪奧維里奇（上海）貿(mào)易有限公司所生產(chǎn)，其產(chǎn)品是通過氣溶膠鹽燒蝕法生產(chǎn)出來的，具有粒徑極小的納米級、純度非常高、不含其他雜質(zhì)、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，此外還具有明顯的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)。納米MgO的外觀整體呈白色粉末狀，基本參數(shù)如下：平均粒度15～20 nm，產(chǎn)品純度 99.8%，顆粒密度 3.580 g／cm3，熔點(diǎn)2 850℃，沸點(diǎn)3 600℃。

2.2 測試儀器

本次試驗(yàn)采用的直剪儀器為智能電動四聯(lián)直剪儀，由南京泰克奧有限公司生產(chǎn)。試樣為直徑61.8 mm×高度20 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓餅試樣。設(shè)備最大水平位移8 cm，剪切速率為0.000 01～2.4 mm／min，無級變速。通過微機(jī)進(jìn)行自動采集、數(shù)據(jù)處理，一次試驗(yàn)最多可同時進(jìn)行4個試樣的直剪試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 濱海水泥土直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)中，水泥養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，共進(jìn)行4種配合比的水泥土剪切試驗(yàn)。設(shè)定水泥摻入質(zhì)量為5%，7%，9%，11%的 4組試樣，對應(yīng)的干土 ∶水泥 ∶水質(zhì)量比分別為 12∶0.8∶3.2，12∶1.2∶3.3，12∶1.6∶3.4，12∶2∶3.5。所得法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同水泥摻量的試樣抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系Fig．1 Relationship between shear strength and normal stress of specimens with different cement mixing ratios

由圖1可知，不同配合比下水泥土的法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度均呈單調(diào)遞增的線性關(guān)系，其中，12∶0.8∶3.2配合比在4個法向應(yīng)力下水泥土的抗剪強(qiáng)度均最小，而12∶2∶3.5配合比的抗剪強(qiáng)度均最大。水泥土抗剪強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而有不同程度的提高，水泥摻量在5%與9%之間提高幅度較小，在9%與11%之間提高幅度較大。

根據(jù)圖1可得出水泥土中水泥摻量分別與內(nèi)摩擦角和黏聚力的關(guān)系，見圖2。

圖2 水泥摻量與內(nèi)摩擦角、黏聚力關(guān)系曲線Fig．2 Curves of cement mixing ratio against internal friction angle and cohesive force

由圖2可知：①隨著水泥摻量的增加，水泥土內(nèi)摩擦角呈總體增加趨勢；在水泥摻量區(qū)間［5%，7%］、［9%，11%］內(nèi)增幅較為顯著，但在區(qū)間［7%，9%］內(nèi)增加不明顯。②水泥土的黏聚力隨著水泥摻量的增加而增加，在5%至9%之間增加幅度較小，而在9%至11%之間黏聚力大幅度增加，這與前文所述的水泥摻量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系相似。由此可知，水泥改善濱海軟土主要通過提高其黏聚力實(shí)現(xiàn)。

3.2 納米MgO改性濱海水泥土直剪試驗(yàn)

在普通水泥土直剪試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取7%和15%兩個水泥摻量的濱海水泥土進(jìn)行納米MgO改性對比試驗(yàn)?？紤] 0，5‰，10‰，15‰，20‰共 5種納米材料的摻入比，保持含水率和養(yǎng)護(hù)齡期不變。以納米MgO摻入比為橫坐標(biāo)，改性濱海水泥土的抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，在4個法向應(yīng)力下繪制出的納米MgO摻入比與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 水泥摻量7%和15%時納米MgO摻入比與抗剪強(qiáng)度關(guān)系Fig．3 Curves of nano-MgO mixing ratio against shear strength with 7%and 15%cement content

圖3 （a）顯示，當(dāng)水泥摻量為7%時，納米MgO的摻入能夠較好地提高水泥土的抗剪強(qiáng)度。摻入5‰的納米有輕微的提高；15‰和20‰摻入比在法向應(yīng)力為100 kPa和200 kPa下提高的效果不明顯，而在300 kPa和400 kPa下的抗剪強(qiáng)度有較大幅度的提高；10‰的摻入比在4個法向應(yīng)力下對抗剪強(qiáng)度都有一定程度的提高，且提高的效果最為明顯。所以，7%水泥摻量下納米改性水泥土的抗剪強(qiáng)度最優(yōu)摻入比為10‰。

圖3（b）中，當(dāng)水泥摻入比為15%時，5個納米MgO的摻入比下水泥土的抗剪強(qiáng)度均有提高，4個法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度隨著摻入比的變化規(guī)律相似。在納米MgO摻入比0‰與10‰之間，水泥土的抗剪強(qiáng)度隨著摻入比的增加而增大；到達(dá)10‰之后，抗剪強(qiáng)度隨著納米摻入比的增加而減小。所以，10‰納米MgO摻入比時水泥土的抗剪強(qiáng)度最大，且改善效果最明顯。

納米MgO摻入比與內(nèi)摩擦角、黏聚力的關(guān)系分別如圖4所示。

圖4 納米MgO摻入比與內(nèi)摩擦角、黏聚力關(guān)系曲線Fig．4 Curves of nano-MgO mixing ratio against internal friction angle and cohesive force

由圖4（a）可知，7%和15%水泥摻量的改性水泥土內(nèi)摩擦角隨著納米MgO摻入比增加都無明顯的變化。圖4（b）顯示，7%水泥摻量的水泥土在納米MgO摻入比為10‰時的黏聚力最大，10‰之后黏聚力有所減小。而在15%的對應(yīng)水泥摻量中納米MgO摻入比為0‰時水泥土的黏聚力最小，10‰處黏聚力最大；10‰之前隨著摻入比的增加，黏聚力逐漸增大；10‰之后隨著摻入比的增加，黏聚力逐漸減小。

綜上可知，納米MgO的摻入對水泥土的內(nèi)摩擦角影響有限，而對黏聚力的影響較大，摻入適量的納米MgO能夠通過提高水泥土的黏聚力來改善水泥土強(qiáng)度，其中10‰摻入比下改善效果最優(yōu)。對比7%和15%兩種水泥摻量的結(jié)果可知，水泥摻量較多時納米MgO改善效果更明顯。

4 微觀機(jī)理分析

4.1 微觀試驗(yàn)設(shè)備

采用JSM-6360LV型鎢燈絲高低真空掃描電鏡儀器進(jìn)行SEM測試。由于NmCS巖土類材料導(dǎo)電性較差，須對樣品進(jìn)行噴鍍處理，否則在試驗(yàn)過程中會積累電荷，從而影響觀察的穩(wěn)定性。本試驗(yàn)采用離子衍射技術(shù)在試樣表面鍍上一層鉑金膜。

4.2 SEM試驗(yàn)分析

對納米MgO摻入比為 0，10‰，15‰，20‰的 4種典型NmCS試樣進(jìn)行2 000倍的SEM微觀測試，其代表性微觀圖像如圖5所示。

圖5 不同納米MgO摻入比時試樣的微觀結(jié)構(gòu)圖像Fig．5 Micrographs of specimens with different nano-MgO mixing ratios

由圖5（a）可見，未摻入納米MgO的試樣微觀圖像中遍布小顆粒球狀或針狀的基本單元體，只有小部分的大顆粒單元體存在；大顆粒單元體之間膠結(jié)程度較好，小顆粒球體之間以接觸為主，部分膠結(jié)，小顆粒針狀體之間基本接觸，單元體間的膠結(jié)性很差；整體骨架非常分散，呈現(xiàn)出球體-針狀體、小顆粒-團(tuán)粒、接觸-膠結(jié)的結(jié)構(gòu)類型。

當(dāng)納米MgO摻入比為10‰時，納米MgO充分填充水泥土顆?？紫?，形成如圖5（b）所示的NmCS微觀圖像。圖中結(jié)構(gòu)非常致密，顆粒狀的單元體很少，基本緊密膠結(jié)在一起，形成較為牢固地密實(shí)結(jié)構(gòu)。納米MgO具有提高活性的功能，加上軟質(zhì)黏性土松散顆粒本身的活性，使得NmCS顆粒具有高活性特征，與水充分結(jié)合形成帶膠體結(jié)構(gòu)。此外，納米MgO具有表面效應(yīng)，水泥土中水泥產(chǎn)物的膠凝單元體在摻入納米MgO后比面積大幅度增大，NmCS單元體表面能大大增加，因而提高顆粒的吸附能力，單元體進(jìn)一步凝結(jié)且關(guān)閉顆粒間的孔隙，從而形成致密的大團(tuán)體骨架，表現(xiàn)在微觀上為大團(tuán)體-膠結(jié)-致密的結(jié)構(gòu)。

如圖5（c）可見，當(dāng)納米MgO摻入比為15‰時試樣的微觀整體結(jié)構(gòu)致密，小部分小顆粒單元體依附在大團(tuán)體上。土顆粒間的微膨脹會產(chǎn)生微裂傷，如本圖像中對應(yīng)的試樣大團(tuán)體出現(xiàn)微裂縫，大團(tuán)體開始分解。當(dāng)納米MgO摻入比為20‰時，過量的納米MgO裂傷效應(yīng)更加顯著，大團(tuán)體大范圍分解，形成如圖5（d）所示的微觀結(jié)構(gòu)，大團(tuán)體分解成團(tuán)粒，團(tuán)粒之間無膠結(jié)，形成團(tuán)粒-架空的微觀結(jié)構(gòu)。

5 結(jié) 論

（1）隨著水泥摻量的增加，水泥土的抗剪強(qiáng)度呈不同程度的增加，其中水泥改善土體強(qiáng)度主要通過提高其黏聚力來實(shí)現(xiàn)，對內(nèi)摩擦角無明顯的影響。

（2）NmCS的直接剪切試驗(yàn)中，納米MgO的摻入對水泥土的內(nèi)摩擦角無明顯影響，主要提高水泥土的黏聚力；當(dāng)納米MgO摻入過量時，黏聚力和抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，其最優(yōu)摻入比為10‰；水泥摻量較多時納米MgO改善效果更加明顯。

（3）摻入納米后增加了Mg+離子，并與Ca+離子吸附交換完全促使雙電層變薄，促使水泥土小顆粒單元體之間更加膠結(jié)；當(dāng)納米摻入比為10‰時，微觀結(jié)構(gòu)非常致密，強(qiáng)度較高；而納米摻入過量時，土顆粒間的微膨脹會產(chǎn)生微裂傷，大團(tuán)體出現(xiàn)微裂縫，因而影響土體強(qiáng)度。

需要說明的是，直剪試驗(yàn)的測試結(jié)果受到試樣制作方法、試樣均勻性等因素的制約和影響，尤其是納米材料摻量非常較小的情況下試樣的均勻性更是很難保證，勢必會對測試結(jié)果造成影響。如何減少試樣制作方面的影響，有待進(jìn)一步的研究探索。