循環(huán)荷載下納米SiO2改良水泥土動變形研究及微觀分析*

莊心善 寇 強

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 武漢 430068)

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的需要，地基材料的選擇越來越重要。在大部分基建和工業(yè)建筑中，水泥土表現(xiàn)出價格低廉、取材方便、施工容易的優(yōu)點[1]，但因汽車荷載、機械設(shè)備振動荷載、地震荷載等動荷載因素限制了其在工程上的進一步應(yīng)用[2]，而納米礦粉在改良水泥土性質(zhì)方面具有優(yōu)異且高效的作用，受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛的關(guān)注，并已開展了一系列試驗探究。Sahin指出納米粉末具有較高的火山灰活性和填充作用，在改良水泥力學(xué)和物理性能方面具有良好效果[3]。Kim等指出納米SiO2在改良水泥復(fù)合材料性能方面具有填充作用和加速火山灰反應(yīng)的效果[4]。Choobbasti等指出納米SiO2可以改善水泥土的微觀結(jié)構(gòu)，在反應(yīng)中充當(dāng)填充劑和催化劑[5]。Ghasabkolaei 等通過一系列試驗研究發(fā)現(xiàn)納米SiO2能夠大幅度提高水泥土地基的強度和地基承載力[6]。在納米SiO2改良水泥土的試驗中，文獻[7-10]指出加入適量的納米SiO2可改良水泥土的變形特性和抗壓強度。但截至目前，有關(guān)納米SiO2對水泥土動力特性影響的研究尚鮮見文獻報道。

基于此，運用GDS真三軸儀動力模塊，對納米SiO2摻量對水泥土動力特性的影響展開試驗；運用核磁共振分析儀分析對比水泥土改良前、后的內(nèi)部孔隙的變化。探究在循環(huán)荷載作用下納米SiO2改良水泥土抵抗動荷載的能力，為相關(guān)工程研究提供參考。

1 動力特性試驗

1.1 試驗儀器

試驗儀器選用英國GDS真/動三軸儀，該儀器可進行三向應(yīng)力的真三軸靜力特性試驗及圓柱狀試樣的動三軸試驗，GDSLAB軟件可精準(zhǔn)控制該儀器動三軸試驗系統(tǒng)，傳感器實時測量試驗土樣中的孔隙壓力、軸向壓力、軸向應(yīng)變及體應(yīng)變等。

1.2 試驗材料

試驗用土為黏土，取自湖北省大冶市某施工段深挖土層，通過地勘資料獲取的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。試驗水泥選用P·O 32.5級水泥，納米礦粉選用工廠加工生產(chǎn)的納米SiO2，相關(guān)參數(shù)見表2。

表1 試驗土基本物理指標(biāo)Table 1 Property indexes of test soil

表2 納米SiO2的主要性能指標(biāo)Table 2 Property indexes of nano-SiO2 powder

1.3 試驗方案

試驗配比方案見表3，稱取計算所得烘干土、水泥、納米硅粉、水，取此土的最佳含水率20%配制，將試樣材料在容器中混合，待土、水泥、納米SiO2、水?dāng)嚢璩浞只旌暇鶆蚝螅谥茦悠髦袑⒒旌贤练?層擊實，制成直徑為50 mm，高度為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，每一種摻量配比制備3組平行試驗。

表3 試驗配比Table 3 Proportion of mix

將試樣制好放在養(yǎng)護箱中，在常溫條件下將試樣養(yǎng)護7 d，養(yǎng)護結(jié)束后，檢查試樣表面有無裂痕，有裂痕直接舍棄，若無裂痕放入真空飽和器內(nèi)抽真空直至飽和器壓力表穩(wěn)定顯示負100 kPa后，注入清水浸泡24 h，將試樣依次放入GDS真三軸儀反壓飽和，然后進行動力特性試驗。加載頻率為1.0 Hz的正弦波形，圍壓為100,200,300 kPa,初始軸向壓力為300 kPa。動荷載加載方式采用不排水10級加載，動荷載值σd為25,50,75,100,125,150,175,200,225,250 kPa，每級荷載作用10個循環(huán)。

2 動力特性試驗結(jié)果及分析

2.1 動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

進行GDS動三軸試驗，取每級循環(huán)荷載的第8個滯回圈頂點得到動應(yīng)力與動應(yīng)變值，分別繪制圍壓200 kPa下不同納米SiO2摻量及納米SiO2摻量為2.5%不同圍壓下的動荷載-動應(yīng)變骨架曲線(σd-εd骨架曲線)，如圖1所示?？梢姡涸谘h(huán)荷載作用下，開始動應(yīng)力較小時，曲線呈線性關(guān)系；后期動應(yīng)力增大，動應(yīng)變增長迅速，曲線呈非線性變化。由圖1a可知:σd-εd曲線隨著納米SiO2摻量的增大呈先升后降的趨勢，且在摻量為2.5%時，曲線達到最大值；表明相同圍壓下，摻入適量納米SiO2可改良水泥土的動力特性，增強其抵抗動荷載的能力，且在摻量在2.5%時改良效果最佳。由圖1b可知：在相同摻量下，σd-εd曲線隨著圍壓的增大而向上移動；表明同摻量下，適當(dāng)?shù)卦龃髧鷫?，可提高水泥土的動剛度?/p>

圖1 動應(yīng)力-動應(yīng)變曲線Fig.1 Relation curves of dynamic stress and dynamic strain

2.2 動變形模量變化規(guī)律

動變形模量Ed取σd-εd滯回曲線兩端連線的斜率[11]，即

(1)

式中：σdmax、σdmax、εdmax、εdmax分別為最大動應(yīng)力、最小動應(yīng)力、最大動應(yīng)變和最小動應(yīng)變。

選取每級動應(yīng)力下5～7次循環(huán)荷載的動變形模量和動應(yīng)變，求其均值，并以其均值繪制Ed-εd曲線，如圖2、3?？梢姡杭虞d過程中，水泥土的動變形模量隨著動應(yīng)變的增大而減小，土體的性質(zhì)變化逐漸由彈性變化轉(zhuǎn)為塑性變化。當(dāng)動應(yīng)變不大于0.1%時，土體主要表現(xiàn)為彈性，Ed-εd曲線下降較快；當(dāng)動應(yīng)變大于0.1%時，土體逐漸表現(xiàn)為塑性，Ed-εd曲線下降較為平緩。

從圖2可見：摻入適量的納米SiO2可以使水泥土的動變形模量增大，且摻量在2.5%時改良效果最佳，隨后改良效果減弱，但依舊遠遠高于未改良的水泥土，這是由于過量加入納米SiO2后，納米SiO2不能與水泥充分反應(yīng)且不溶于水，在水泥土中呈游離狀態(tài)，黏聚性較弱，使水泥土內(nèi)部的土顆粒易相對滑動，導(dǎo)致水泥土的動變形模量下降。

aw=0%; aw=0.5%; aw=1.0%; aw=1.5%; aw=2.0%; aw=2.5%; aw=3.0%。圖2 動變形模量-動應(yīng)變曲線(σd=200 kPa)Fig.2 Relation curves of dynamic deformation moduli and dynamic strain (σd=200 kPa)

由圖3可知：動變形模量隨圍壓的增大而增大。圍壓作用于土體，土體顆粒黏性增強，內(nèi)部孔隙減小并減少，水泥土的動變形模量增大。土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，土體的強度更高，使得土體的抗變形能力增強。

a—0.5%; b—2.5%; c—3.5%。100 kPa； 200 kPa； 300 kPa。圖3 不同摻量動變形模量-動應(yīng)變曲線Fig.3 Relation curves of dynamic deformation moduli and dynamic strain in different proportion

為進一步研究改良水泥土的動變形模量與動應(yīng)變的關(guān)系，對試驗結(jié)果進行擬合，采用Hardin-Drnevich修正曲線模型擬合，擬合曲線見圖4。

σ3=100 kPa； σ3=200 kPa； σ3=300 kPa； ----擬合曲線。圖4 動變形模量倒數(shù)-動應(yīng)變擬合曲線(aw=2.5%)Fig.4 Fitting curves between reciprocals of dynamic deformation moduli and strain (aw=2.5%)

(2)

式中：a、b為擬合參數(shù)。

從表4可知不同摻量下的擬合參數(shù)，且決定系數(shù)R2均大于0.90,說明該修正曲線模型擬合效果良好，式(2)在一定條件下可以較好地表現(xiàn)其改良規(guī)律。

表4 動變形模量倒數(shù)-應(yīng)變擬合參數(shù)Table 4 Fitting parameters for reciprocals of dynamic deformation moduli and corresponding strain

2.3 滯回曲線變化規(guī)律

如圖5所示，滯回環(huán)兩端的應(yīng)力與應(yīng)變差之比為K，其大小反映了土體的變形性能。

圖5 周期循環(huán)荷載作用下土體理想滯回環(huán)Fig.5 An ideal hysteretic loop of soil under a cyclic load

(3)

滯回圈面積S反映的是土體因阻尼比而消耗的能量[11]，在動荷載作用的一個循環(huán)內(nèi)，能量消耗越大，S越大。滯回環(huán)包圍面積可用式(4)計算：

(4)

式中：a、b為滯回環(huán)形成橢圓的長、短邊。

隨著動荷載的增大，滯回圈的缺口逐漸增大，在計算其面積時，需要人為將其首尾連接構(gòu)成一個封閉的多邊形APQMBNA，其面積可按文獻[12]的方法計算。

通過計算可以得到納米SiO2不同摻量下改良水泥土的同級單次滯回曲線面積。由圖6可得:同級荷載不同摻量aw=0%、2.5%、3%下的滯回圈面積分別為0.021、0.009、0.011，即S(2.5%)

SiO2摻量為0.0%； SiO2摻量為2.5%； SiO2摻量為3.0%。 圖6 不同摻量同級滯回圈(σ3=200 kPa)Fig.6 Hysteretic loops under a dynamic load in different mix porprotion (σ3=200 kPa)

2.4 阻尼比變化規(guī)律

土的阻尼反映的是土體因受到阻滯而使變形能隨時間損耗的特性，通常用阻尼比λ反映其大小，用土體一個滯回周期內(nèi)的能量損耗ΔW與該循環(huán)中儲存變形總能量W的比值表示[11]：

(5)

在動荷載作用下，能量損耗可近似地看作阻尼比所做的功。滯回曲線圈構(gòu)成的橢圓面積可近似表示動荷載作用一個周期的能量損耗ΔW，貯存的總能量W可由最大幅值點(εd，σd)與坐標(biāo)原點和垂直X軸的線段構(gòu)成的三角形面積表示[11]：

(6)

圖7為不同納米SiO2摻量下水泥土的阻尼比與動應(yīng)變的關(guān)系?？梢姡核嗤磷枘岜入S動應(yīng)變增大而增大。當(dāng)動應(yīng)變不大于0.1%時，λ-εd曲線呈線性增長，阻尼比增長較快；動應(yīng)變大于0.1%時，λ-εd曲線呈非線性增長，阻尼比增長較緩。這是由于在循環(huán)荷載作用下土體內(nèi)部土顆粒間的摩擦，釋放應(yīng)變能。應(yīng)變能的釋放隨著動應(yīng)變的增大而減小[11]。

從圖7可以看出：水泥土的阻尼比隨納米SiO2摻量的增大而減小，且在摻量為2.5%時，阻尼比降到最低。當(dāng)摻量大于2.5%后，水泥土的阻尼比增大，但仍遠遠低于不摻納米SiO2的水泥土。說明摻入適量的納米SiO2，可以使水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，使其整體承載能力增強，有利于波在內(nèi)部的傳播，能量的損耗減小，阻尼比減小。

aw=0.0%; aw=0.5%; aw=1.0%; aw=1.5%; aw=2.0%; aw=2.5%; aw=3.0%。圖7 阻尼比-動應(yīng)變曲線(σ3=200 kPa)Fig.7 Relations between damping ratios and dynamic strain(σ3=200 kPa)

3 孔結(jié)構(gòu)分析

3.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為PQ001低磁場核磁共振分析儀。

3.2 試驗過程及結(jié)果分析

提前打開試驗儀器運行，試驗中多次重復(fù)測量試樣以減少試驗的誤差，對數(shù)據(jù)進行累加處理，最終在通過數(shù)據(jù)處理、反演得到納米SiO2摻量為0%、2.5%時土體的弛豫時間T2和信號強度的關(guān)系曲線(T2譜)，如圖8所示。

aw=0.0%； aw=2.5%。圖8 反演處理后的核磁共振數(shù)據(jù)(σ3=200 kPa)Fig.8 Nuclear magnetic resonance data by inversion analysis(σ3=200 kPa)

核磁共振曲線(NMR曲線)可用來反映物體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，通過NMR曲線，可以看出土體內(nèi)部的孔隙體積-孔徑分布特性[13-16]。

圖8所示為納米SiO2摻量為0%、2.5%的水泥土的NMR曲線(T2譜)可見：在水泥土里摻入2.5%納米SiO2時，所圍區(qū)域面積小于不摻入納米SiO2時的面積;加入納米SiO2可以減小內(nèi)部孔隙體積，使土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，使得土體的強度增大；摻量為0%、2.5%的試樣T2譜有相似之處，即都有2個峰值，峰值位置大致相當(dāng)，分別位于1.0，50.0 ms處附近；在50.0 ms處，摻入納米SiO2的試樣峰值體積小于不摻納米SiO2的試樣，說明摻入納米SiO2后，內(nèi)部的大孔隙體積減少；在1.0 ms處的峰值，改良后試樣的峰值面積小于未改良的試樣，說明摻入納米SiO2后試樣內(nèi)部的小孔隙體積減少；在1.0 ms處，改良后試樣的峰值出現(xiàn)時間略早于未改良的水泥土試樣，表明摻入納米SiO2后，水泥土試樣內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)更加均勻。

納米SiO2對水泥土的改良體現(xiàn)在兩個方面：物理方面，納米SiO2粉末可以填充土體內(nèi)部的微小孔隙，使土體的內(nèi)部孔隙減少，土體更加密實，水泥反應(yīng)后的生成物黏結(jié)在納米顆粒上形成小團塊，增強土體的穩(wěn)定性[9]；化學(xué)方面，納米SiO2具有較高的火山灰活性[5,10,17]可快速與水泥反應(yīng)生成水化硅酸鈣、細化Ca(OH)2晶體，減少水泥土內(nèi)的孔隙，使土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

1)在循環(huán)荷載作用下，σd-εd曲線隨納米SiO2摻量的增大而先升后降；動變形模量、單級荷載作用滯回圈面積、阻尼比隨摻量的增大先降后升。在摻量為2.5%時，水泥土抵抗動荷載能力最強，動強度最大，推薦最佳摻量為2.5%。

2)運用Hardin-Drnevich修正模型可以更好地描述動變形模量與動應(yīng)變的關(guān)系，擬合決定系數(shù)R2均為0.9以上。

3)由孔結(jié)構(gòu)分析可知,水泥土中摻入納米SiO2后,土體的孔隙明顯減少,土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到改善，使得土體強度提高。