納米土壤固化劑重構(gòu)黃土力學(xué)性能的試驗研究

張星辰,高建恩,4,樊恒輝,李興華4,, 高 哲,郭子豪,龍韶博,薛 利

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100039;4.水利部 水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心,陜西 楊凌 712100;5.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

在黃土高原及廣大無砂石料地區(qū)開展水土保持工程建設(shè)，傳統(tǒng)材料不但成本高,不能充分利用棄土棄渣，而且開山挖河尋找砂石原料又加劇對環(huán)境的威脅，而能利用當(dāng)?shù)厮临Y源的傳統(tǒng)固土材料又面臨著重構(gòu)土體的力學(xué)性能亟待提升等問題。

由于利用固化劑改善各種重構(gòu)土體力學(xué)性能具有廣闊的應(yīng)用前景，在土木、水利、港口等方面的研究一直是熱點[1-4]。首先，國內(nèi)外學(xué)者在開發(fā)不同種類固化劑基礎(chǔ)上，對不同質(zhì)地和用途的重構(gòu)土體性能進(jìn)行了研究。樊恒輝等[5]研究了不同固化劑集流面的力學(xué)性能和集流效率，為固化劑固結(jié)土體研究提供了理論基礎(chǔ)；Hassan[6]、Pu[7]等對生物固化劑處理后的土體進(jìn)行了強(qiáng)度和微觀分析，擴(kuò)展了生物固化劑領(lǐng)域的研究；Yin等[8]探討了初始含水率對固化土壓縮性的影響，豐富了土壤固化劑的強(qiáng)度影響因素研究。還有許多學(xué)者通過納米材料外加劑改性等方法，在水泥基類土壤重構(gòu)體性能提升方面研究取得了成果[9-10]。其次，隨著納米技術(shù)發(fā)展，納米材料在土體重構(gòu)方面的研究逐步開展。Thomas等[11]發(fā)現(xiàn)納米材料對水泥混合軟黏土的固化土體抗壓強(qiáng)度具有積極的影響，但強(qiáng)度提升機(jī)理有待進(jìn)一步探索；Kong等[12]探索了納米SiO2對黃土重構(gòu)體的抗壓強(qiáng)度影響，但對其微觀結(jié)構(gòu)變化的機(jī)理分析有待深入；陳澤超等[13]研究了不同納米材料對水泥土的力學(xué)強(qiáng)度影響，為納米材料提升土體性能研究做出了積極貢獻(xiàn)；高建恩[14]、Zhang[15]等發(fā)明了一種新型納米土壤固化劑，發(fā)現(xiàn)納米SiO2能顯著提升固化劑的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，在固化劑的納米改性方面提供了新的研究思路。以上研究豐富了土壤固化劑在性能提升及加固土方面的研究，但在納米固化劑重構(gòu)土體性能的影響因素及在黃土高原等無砂石料地區(qū)的應(yīng)用方面仍需深入探索。

本研究基于新型納米土壤固化劑的卓越性能，通過室內(nèi)典型試驗和物理化學(xué)分析等方法，探索新型納米土壤固化劑對重構(gòu)黃土力學(xué)性能的影響，為新型土壤固化劑重構(gòu)土體力學(xué)性能及在水土保持工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 納米固化劑

本研究所用納米土壤固化劑(N-MBER)是在土壤固化劑(MBER)的基礎(chǔ)上，通過添加納米二氧化硅(SiO2)而創(chuàng)新升級的新型土壤固化劑[14-15]。其主要材料由水泥熟料、粉煤灰、石膏、核心原料和納米SiO2組成，并通過球磨機(jī)研磨后過200目篩(粒徑<0.075 mm)制得。試驗所用水泥熟料購自陜西省興平市秦隆水泥廠，粉煤灰為電廠一級粉煤灰，石膏為實驗室二水生石膏，納米SiO2為陜西西安鼎銥生物科技有限公司生產(chǎn)的實驗室級高活性納米SiO2，純度為99%，平均粒徑為30 nm，比表面積為600 m2/g。納米固化劑各組分含量和SO3指標(biāo)見表1。

表1 納米固化劑主要成分及SO3含量 %

1.2 黃 土

試驗用土為中國延安萬花山鄉(xiāng)黃土，該黃土廣泛分布于中國黃土高原，是典型的濕陷性土。土的粒徑曲線見圖1，基本物理化學(xué)特性見表2—3，其中0.005～0.075 mm的顆粒約占67%，為低液限黏土CL。

圖1 試驗黃土顆粒分布

表2 試驗黃土的基本物理特性

1.3 制樣及養(yǎng)護(hù)

試驗用土自然風(fēng)干后過2 mm篩，將各組次混合料按照最優(yōu)含水率配制完畢后，采用《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》JTJ057—94中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗原理成型，試件尺寸為直徑50 mm×高50 mm的圓柱體，按照雙向靜壓法將土壓實，拆模后塑封養(yǎng)護(hù)，到達(dá)規(guī)定齡期后進(jìn)行抗壓試驗。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件是溫度(20±1)℃，相對濕度>95%。養(yǎng)護(hù)期的最后一天將試件浸泡在水中，水面高出試件頂部約2.5 cm。

1.4 試驗方法

試驗所用N-MBER中納米SiO2的含量為2.5%，N-MBER在黃土中的摻量占混合料的質(zhì)量比設(shè)計6%，9%，12%，15%，18%共5個組次，并采用MBER和32.5號水泥摻量均為12%的兩個組次作為參照，每組試件設(shè)計6個平行試樣。將各組次試件分別養(yǎng)護(hù)7，28，90 d，到齡期后將養(yǎng)護(hù)好的試件從水中取出，用軟布吸去表面可見自由水，養(yǎng)護(hù)前后對每個試件分別量高稱重。采用WDW-100微機(jī)液壓萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，強(qiáng)度計算公式見式(1)，試件破型過程見圖2。

圖2 固化土試件破壞過程

(1)

(2)

式中:E為試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa);P為試件破壞時的最大壓力(N);A為試件的截面積(mm2);D為試件的直徑(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米固化劑重構(gòu)土體強(qiáng)度的影響因素

2.1.1 齡期和摻量對固化土強(qiáng)度的影響 為了研究不同摻量的N-MBER對黃土力學(xué)性能的影響，將N-MBER摻量分別為6%，9%，12%，15%，18%的納米固化土試件分別在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7，28，90 d，養(yǎng)護(hù)到期后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，分析N-MBER養(yǎng)護(hù)齡期和摻量對納米固化土(N-SS)強(qiáng)度的影響。養(yǎng)護(hù)齡期和摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響結(jié)果如圖3—4所示。

圖3為N-SS養(yǎng)護(hù)齡期和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)關(guān)系圖。可見，N-SS的UCS隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大；同一齡期內(nèi)UCS隨著N-MBER的摻量增多而增大。90 d齡期時18%摻量下的N-SS抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)6.31 MPa；不同N-MBER摻量下，隨著齡期的增長，各組次UCS在90 d時較7 d分別提高了90.7%，85.4%，73.4%，63.0%，85.0%。

圖3 納米固化土的強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系

圖4為N-MBER摻量和N-SS無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)的關(guān)系?？梢?，納米固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨固化劑摻量的變化規(guī)律可用Allometric函數(shù)進(jìn)行預(yù)測，模型方程見公式(3)。

圖4 納米固化土的強(qiáng)度與摻量關(guān)系

EUCS=a+b·PC

(3)

式中:EUCS為N-SS的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa);P為N-MBER的摻量(%);a,b,c均為模型參數(shù)。

公式(3)表明，N-SS重構(gòu)土體的抗壓強(qiáng)度EUCS與摻量P服從一種指數(shù)函數(shù)關(guān)系。利用Origin軟件對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的擬合結(jié)果進(jìn)行擬合程度分析,結(jié)果見表3。可見該模型可以較好地模擬N-SS無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨N-MBER摻量的變化趨勢。

表3 試驗黃土的基本化學(xué)成分

表3 模型參數(shù)與計算結(jié)果擬合程度

2.1.2 固化土單軸壓縮破壞過程 水泥基類固化土試件的受壓破壞過程是研究材料物理力學(xué)特性的重要指標(biāo)[16]。為了明晰納米固化土單軸受壓情況下的破壞過程，對不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同N-MBER摻量的N-SS試件在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試中的破型過程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5A為7 d齡期下不同摻量的N-SS試件單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，由圖5A可知，當(dāng)N-MBER的摻量由6%增大到18%時，應(yīng)力—應(yīng)變曲線峰值位于應(yīng)變量的40%～60%，且隨著摻量的增加，應(yīng)力峰值逐漸增大，說明抗壓強(qiáng)度逐漸提升，同時峰值前近似直線部分的斜率逐漸增大，表明材料的脆性逐漸增強(qiáng)；圖5B—C分別為28 d齡期和90 d齡期下不同摻量的N-SS試件單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，由圖5B—C可知，齡期越大，峰值應(yīng)力越大，同一齡期內(nèi)不同摻量的N-SS試件應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系變化規(guī)律與圖5A基本一致，圖5B的曲線峰值位于應(yīng)變量的30%～60%，圖5C的曲線峰值位于應(yīng)變量的50%～60%。圖5表明：隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，各齡期內(nèi)的試件抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，且同一齡期內(nèi)隨著N-MBER摻量的增大，材料的脆性逐漸增強(qiáng)，90 d的平均峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變量較7 d和28 d可提升約10%。說明養(yǎng)護(hù)齡期越久，試件在相同應(yīng)力下應(yīng)變量越小，即試件的抗壓性能越好。

圖5 不同摻量納米固化土各齡期單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.2 不同固化劑重構(gòu)土體力學(xué)性能對比

2.2.1 3種不同固化劑固土強(qiáng)度 以12%摻量為例，研究3種不同固化劑N-MBER，MBER和32.5號水泥對黃土抗壓強(qiáng)度的影響，在相同試驗條件下進(jìn)行制樣并進(jìn)行同期養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)到期后分別將3種固化劑重構(gòu)土體N-SS(納米固化土)、SS(普通固化土)和CM(水泥土)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，結(jié)果見圖6。

圖6 不同固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖6可知，在相同摻量(12%)下，3種固化劑重構(gòu)土體中N-SS各齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，分別為2.75，3.33，4.77 MPa，高于SS的10%～13%，高于CM的20%～40%。上述結(jié)果表明：N-MBER重構(gòu)土體的強(qiáng)度優(yōu)于MBER和32.5號水泥。由此可見，N-MBER是一種對黃土力學(xué)性能提升更顯著的固化劑材料，其固化效果優(yōu)于普通固化土和32.5號水泥土。

2.2.2 吸水率、干密度與固化土強(qiáng)度關(guān)系 由于吸水率和干密度對與常規(guī)水泥基類固化土的強(qiáng)度變化密切相關(guān)[17-18]，因此結(jié)合3種不同固化劑重構(gòu)土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果，以12%固化劑摻量為例，對3種重構(gòu)土體在不同養(yǎng)護(hù)齡期的吸水率和干密度進(jìn)行分析，給出不同固化土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和吸水率及干密度的關(guān)系。圖7為3種固化劑重構(gòu)土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和吸水率的關(guān)系，由圖7可知，CM各齡期的吸水率為1%～6%，SS各齡期吸水率為3%～6%，而N-SS的吸水率可達(dá)4%～6%，說明在重構(gòu)土體的水化過程中N-SS整體吸水率更高，而隨著吸水率WA的增加，土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度E1逐漸增大，故而N-SS的抗壓強(qiáng)度高于SS和CM。

圖7 不同重構(gòu)土體UCS和吸水率的關(guān)系

圖8為3種固化劑重構(gòu)土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和干密度的關(guān)系，由圖8可知，隨著干密度的增大，SS和CM重構(gòu)土體的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，90 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度的最大值對應(yīng)的干密度為1.71～1.72 g/cm3，相比之下N-SS重構(gòu)土體各齡期的干密度更趨近于最大干密度，故而N-SS的抗壓強(qiáng)度在各齡期都表現(xiàn)更好。

圖8 不同重構(gòu)土體UCS和干密度的關(guān)系

2.2.3 不同固化土顆粒組成及微觀結(jié)構(gòu) 為了定量分析不同土壤固化劑對黃土的固結(jié)效果，利用馬爾文激光粒度儀分別對養(yǎng)護(hù)7，28，90 d的N-SS，SS和CM試件進(jìn)行顆粒粒徑分析，通過對比不同固化土顆粒粒徑的分布規(guī)律，對3種不同固化土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。不同齡期、不同摻量的3種固化土顆粒粒徑分布見圖9。

圖9A—C分別為不同重構(gòu)土體在各個齡期下的顆粒粒徑分布圖，其中N-SS重構(gòu)土體在各齡期和摻量下，其粒徑分布規(guī)律基本一致。12%摻量下的N-SS重構(gòu)土體在各齡期的平均粒徑均為最小，分別為34.75，32.11，38.83 μm，比同摻量的SS和CM重構(gòu)土體小30%～60%，顆粒粒徑數(shù)據(jù)見表4。表4為馬爾文激光法測得的固化土顆粒單位質(zhì)量表面積和中值粒徑，由表4還可看到，在7，28，90 d的養(yǎng)護(hù)齡期下，各組次的重構(gòu)土體中12%摻量下的N-SS比表面積最大，分別達(dá)到0.561，0.582，0.462 cm2/g，比同摻量的SS和CM為30%～40%。根據(jù)土體顆粒級配分布原理[19-20]，土體顆粒比表面積越大，表明顆粒尺寸越小、土體單元結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，同時土體顆粒的中值粒徑也是表征顆粒尺寸的重要參數(shù)，中值粒徑越小說明整體顆粒越細(xì)，均勻度越好。

圖9 不同固化土的顆粒分布

在對上述3種固化劑重構(gòu)土體顆粒粒徑分析的基礎(chǔ)上，采用Tyler[21]、楊培嶺[22]等提出的土壤粒徑分形維數(shù)D的模型，分別計算N-SS，SS和CM在7，28，90 d齡期下的土壤粒徑分形維數(shù)。分形維數(shù)D的計算模型基本形式見公式(4)。

(4)

上式兩邊取對數(shù)，得：

(5)

表5 不同固化土顆粒分布的分形維數(shù)D值

由表5可知，3種重構(gòu)土體在7，28，90 d養(yǎng)護(hù)齡期時，其顆粒的分形維數(shù)D分布在2.52～2.64，其中12%摻量下的N-SS各齡期下的分形維數(shù)均大于其他組次，分別為2.631 9，2.635 5，2.585 2，比同摻量下的SS體大0.03～0.06，比同摻量下的CM大0.05～0.06。

3 討 論

3.1 納米固化劑重構(gòu)土體強(qiáng)度規(guī)律

水泥基類固化劑重構(gòu)土體的強(qiáng)度隨固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律以往多為線性規(guī)律或二次函數(shù)規(guī)律[23-24]，而本研究提出的指數(shù)函數(shù)關(guān)系表明利用N-MBER加固黃土，二者能夠產(chǎn)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，在數(shù)學(xué)表達(dá)上更加接近于材料強(qiáng)度增長的實際情況，宏觀上表現(xiàn)為N-MBER的加入能顯著改善黃土的物理力學(xué)特性，使得N-SS試件材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，因而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著提升。

對比水泥基類固化土單軸壓縮過程[25-26]，N-SS的單軸壓縮破型過程可分為3個階段：(1)破型早期的α部分為材料內(nèi)部孔隙閉合階段，該階段試件內(nèi)裂隙逐漸被壓縮閉合而產(chǎn)生非線性變形，土壤氣相減小，固相不變，卸載后變形全部恢復(fù)，屬于彈性變形；(2)峰值應(yīng)力前的β階段為線彈性變形階段，此階段主要由固相減小所致，應(yīng)力—應(yīng)變曲線近似為一條直線，此時固化土的應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力的70%左右，表明其彈性變形階段大致處于固化土軸壓強(qiáng)度0.7倍左右，卸載后變形可完全恢復(fù)[27-28]；(3)峰值應(yīng)力過后的γ階段為材料破型階段，這一階段在應(yīng)變增加不大的情況下應(yīng)力迅速減小，裂隙逐漸增多至貫通，應(yīng)力急劇下降，試件產(chǎn)生了較大的塑性變形，材料破壞且不可恢復(fù)。以上3個階段概括了N-SS試件在單軸壓縮條件下的破型過程及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力變化，豐富了以往水泥基類固化土和納米添加劑類固化土受力過程的理論研究。

3.2 不同固化劑改善土體力學(xué)性能分析

吸水率和干密度作為固化土強(qiáng)度變化的主要影響因素，二者和土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化呈現(xiàn)顯著相關(guān)[17,29]。吸水率影響土體強(qiáng)度主要是由于：固化土內(nèi)部水化水解反應(yīng)的進(jìn)行需要消耗一定的水分子，隨著水化水解進(jìn)程的不斷發(fā)展，消耗的水分子逐漸增多，試件內(nèi)部反應(yīng)逐漸充分，整體抗壓強(qiáng)度逐步提升，而納米SiO2的親水性及納米顆粒巨大比表面積能夠在土壤膠體的表面吸附更多的水分子[30-32]，使得固化土反應(yīng)更加充分，因此相同養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)N-SS的吸水率更大，相同吸水率條件下N-SS的強(qiáng)度更高。

干密度對土體強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為：重構(gòu)土體的抗壓強(qiáng)度是由試件內(nèi)部各種形狀的水化硅酸鈣凝膠和鈣礬石及氫氧化鈣晶體以不同形式組成的空間網(wǎng)狀聚集體組成，土體干密度越大，表明單位體積內(nèi)的晶體數(shù)量越多，空間結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，故而抗壓強(qiáng)度UCS越大[33-34]。而N-SS的內(nèi)部由于具有大量高火山灰活性的納米SiO2分子，能在激活土壤惰性礦物活性的基礎(chǔ)上強(qiáng)化膠體空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，重構(gòu)土體界面，因而在相同干密度條件下N-SS的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，力學(xué)性能明顯優(yōu)于SS和CM。

通過對比不同材料固化土顆粒粒徑分布規(guī)律，利用分形理論探討N-MBER對重構(gòu)土體強(qiáng)度的影響。由于分形維數(shù)D在土壤微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)方面，表現(xiàn)為顆粒粒徑越細(xì)，其分形維數(shù)數(shù)值越大[35]，表明N-SS相對于SS和CM，其土體顆粒粒徑更細(xì)，空間分布更均勻，土體微觀結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)N-SS在微觀形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面明顯優(yōu)于SS和CM，在各摻量的N-SS組次中，12%摻量的土體粒徑級配和微觀結(jié)構(gòu)最合理，而作為微觀形態(tài)和結(jié)構(gòu)的宏觀表征，其重構(gòu)土體的力學(xué)性能也更優(yōu)越。

根據(jù)上述研究結(jié)果，在黃土高原等缺石少砂地區(qū)采用新型納米土壤固化劑對土體進(jìn)行重構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上開展諸如邊坡防護(hù)、蓄排水及道路修建等水土保持工程實踐將具有積極廣闊的前景。

4 結(jié) 論

(1)構(gòu)建了固化劑摻量與納米固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系的函數(shù)計算模型，為實際應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

(2)提出了納米固化土單軸壓縮破壞過程的3個階段，即孔隙閉合階段、線彈性壓縮階段和塑性破壞階段。為納米固化土的應(yīng)力應(yīng)變研究提供了理論基礎(chǔ)。

(3)不同固化土的顆粒形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)和土體抗壓強(qiáng)度等方面的分析結(jié)果表明：納米土壤固化劑在提升黃土的力學(xué)性能方面具有顯著優(yōu)勢，其重構(gòu)土體在各齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較普通固化土及水泥土可提升10%～30%。