納米SiO₂改良黃土室內(nèi)試驗研究

作者簡介：黃維龍（1987—），工程師，主要從事道路工程研究工作。

摘要：文章研究了不同含量和養(yǎng)護時間下納米SiO₂改良后黃土的力學、結構和礦物學性質(zhì)的影響，且為了更好地了解改良機理，進行了粒度分布、掃描電子顯微鏡（SEM）圖像分析。研究結果表明，由于黃土中摻入納米SiO₂，無側(cè)限抗壓強度隨納米SiO₂含量和固化時間的增加而增加，且納米SiO₂與黃土混合會使黃土顆粒相互團聚，導致孔隙率降低。此外，黃土微觀結構的改變控制著力學性能的改變，當養(yǎng)護時間一定時，即使是少量的納米SiO₂摻入也可以使黃土強度提高。

關鍵詞：納米SiO₂；黃土；改良；室內(nèi)試驗

中圖分類號：U414

0 引言

黃土是我國廣泛分布的地表沉積物，也是一種重要的工程材料，通常可以作為填充路堤的材料^［1］。但由于黃土具有大孔隙及垂直節(jié)理結構，易使黃土在垂直荷載作用及潤濕后產(chǎn)生坍塌和不均勻沉降，對當?shù)鼗A設施造成一定的損失，嚴重影響當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展^［2-3］。因此，黃土需要通過各種改良方法進行改進，進一步解決黃土濕陷性及不均勻沉降等問題。針對黃土改良材料已有大量研究，但其中大部分研究工作都集中在傳統(tǒng)化學改良材料上，如石灰、粉煤灰和水泥等材料用于改良黃土力學性能^［4］?？傮w而言，這些化學改良材料會與黃土發(fā)生化學及物理反應，從而降低黃土含水率并增加土體密度。因此，上述化學改良材料可以有效提高黃土強度，降低黃土濕陷性^［5］。然而，上述化學改良材料也會在處理過的黃土中產(chǎn)生一些化學變化，通常會導致pH值增加，進而對土壤及地下水造成一定污染。因此，亟須新材料替代化學改良材料。

目前，納米顆粒已被研究作為土壤改良的替代改良材料，以取代傳統(tǒng)的化學改良材料，且納米顆粒在實際工程中的總成本可能低于傳統(tǒng)的化學改良材料，如混凝土和石灰^［6］。因此，納米顆粒具有更大的優(yōu)勢和潛力。此外，納米顆粒的潛在優(yōu)勢將是土壤改良中較有前景的改良材料。然而，使用納米顆粒作為土壤改良材料仍然不常見。到目前為止，很少有人嘗試使用納米顆粒改良材料來處理黃土。

鑒于此，本文通過研究不同納米SiO₂含量和養(yǎng)護時間對黃土的力學、礦物學和結構特性的影響，同時對無側(cè)限抗壓強度、粒徑分布、SEM圖像和XRD進行測試。本研究旨在了解納米SiO₂改良黃土機理，探討宏觀力學與微觀特征之間的復雜關系。研究結果可為納米SiO₂改良黃土提供參考依據(jù)，且可對實際應用具有重要意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本研究所用的樣品是從蘭州采集的第四紀馬蘭黃土。黃土的粒度曲線如圖1所示，主要由粉土（約91.3%）和少量黏土和砂（約8.7%）組成，其平均粒徑為0.034 mm，均勻系數(shù)為3.5，且黃土具有低塑性。表1列出了黃土的一些物理性質(zhì)。納米SiO₂的平均粒徑為30 μm，密度＜0.15 g/cm³，SiO₂含量＞99.8%，表面積為300 m²/g，呈白色粉末狀。

1.2 試樣制備

黃土首先在約20 ℃的室溫下風干，然后通過孔徑為0.5 mm的篩子，并將蒸餾水加入到干黃土中。之后將樣品密封并在室溫下儲存12 h，確保水分均勻分布，以便進行后續(xù)樣品制備。

納米SiO₂的含量分別占黃土總干重的0.2%、0.4%、0.8%、1.0%、1.5%和2.0%。將混合土樣放置在直徑50 mm，高100 mm的鋼筒中。在液壓千斤頂和鋼支架的幫助下，使用靜態(tài)壓實方法制備圓柱形樣品。為了獲得均勻的密度，將樣品分五層放置，使黃土最大干密度達到1.68 g·cm³。用塑料薄膜密封圓柱形樣品，在室溫下分別養(yǎng)護7 d、14 d、28 d和60 d。

1.3 試驗方法

為了獲得未經(jīng)改良黃土和經(jīng)納米SiO₂改良的黃土的力學性能，經(jīng)過一定時間的養(yǎng)護后，將圓柱形樣品放置在最大承載能力為100 kN的三軸儀上，并以0.1 mm/min的恒速率壓縮試樣。在所有試驗過程中，將光滑的有機玻璃板放置在每個試樣的底部，以降低末端效應。為了防止單一測試黃土試樣的誤差，對黃土的無側(cè)限抗壓強度（UCS）進行三次重復測試。重復樣本的平均值用于數(shù)據(jù)分析?？箟簭姸仍囼灪螅占瘮嗔褬悠愤M行SEM分析。微觀測試試驗使用Microtrac S3500激光衍射儀測定黃土試樣的宏觀粒度分布。用JSM-5600LV掃描電子顯微鏡（SEM）觀察金粉金屬化后粉末樣品的微觀形貌和微觀尺寸。

納米SiO₂改良黃土室內(nèi)試驗研究/黃維龍

2 試驗結果分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度-應變曲線

圖2為不同摻量納米SiO₂黃土在不同養(yǎng)護時間下的無側(cè)限抗壓強度-應變曲線。

由圖2可知，即使在納米SiO₂摻量很低的情況下，在不同的養(yǎng)護時間內(nèi)，所有納米SiO₂處理后的重塑黃土強度都有所增加。然而，在本研究中，納米SiO₂含量對黃土力學強度的影響在短期（即7 d和14 d）和長期（即28 d和60 d）養(yǎng)護時間上存在明顯差異。在短期養(yǎng)護時間內(nèi)，重塑黃土峰后應力隨應變逐漸減小，在納米SiO₂含量＞2%時與未處理試樣表現(xiàn)出類似的規(guī)律;當納米SiO₂含量為1%時，峰值應力顯著增加，如圖2（a）～（b）所示。隨著養(yǎng)護時間的延長，如圖2（c）～（d）所示，所有處理后的重塑黃土都比未處理的黃土脆性明顯提高。同時，在應力峰值后出現(xiàn)快速下降，主要是由于黃土亞穩(wěn)定結構的坍塌破壞。由此可見，納米SiO₂的加入使其峰值應力顯著增加;對應的峰值應變從1.5%下降到約1%，如圖2（c）～（d）所示。

2.2 粒徑曲線變化

下頁圖3為不同納米SiO₂摻量和養(yǎng)護時間下黃土的粒徑分布曲線。為了更清晰地觀察粒徑的變化，本文使用線性橫坐標，而非對數(shù)橫坐標^［7］。由圖3可知，隨著納米SiO₂摻量的增加，粒徑分布曲線呈現(xiàn)出粒徑不斷增大的趨勢。然而，在大顆粒發(fā)育過程中，在不同養(yǎng)護時間下仍可觀察到差異。在一定的納米SiO₂摻量下，養(yǎng)護時間越短，形成的顆粒越大。大顆粒的發(fā)育程度僅在養(yǎng)護28 d時略有下降。當養(yǎng)護時間達到60 d時，所有納米SiO₂處理后的黃土的粒徑分布曲線都與未處理黃土的粒徑分布曲線非常接近，表明隨著養(yǎng)護時間的延長，大顆粒的發(fā)育變?nèi)酢?/p>

2.3 粒徑頻率分布曲線

下頁圖4為不同納米SiO₂摻量和養(yǎng)護時間下黃土粒徑頻率分布曲線。由圖4可知，45 μm的粒徑是一個臨界邊界。在邊界之前（即30～45 μm），隨著納米SiO₂摻量的增加，重塑黃土的細粒徑百分比逐漸減小。當超過邊界（即45～60 μm）時，隨著納米SiO₂摻量的增加，重塑黃土的粗粒度百分比逐漸增大。此外，納米SiO₂改良后的黃土粒徑分布峰值略有向粗粒徑側(cè)移動。這些變化表明，與未經(jīng)改良的黃土相比，經(jīng)納米SiO₂處理的黃土粒徑變大。

2.4 微觀結構

下頁圖5為養(yǎng)護7 d后，納米SiO₂摻量為0.4%、1.0%和2.0%與未處理黃土的SEM圖像。圖5（a）～（c）的放大系數(shù)分別為500、1 000和4 500。未改良和改良黃土的兩個低倍SEM圖像顯示如圖5（a）～（b）所示，納米SiO₂與黃土混合后在一定養(yǎng)護周期下，隨著納米SiO₂摻量的增加而導致微觀結構演變。低納米SiO₂含量的摻入首先會在顆?；驁F聚體之間的孔隙中產(chǎn)生膠凝物質(zhì)，進而導致重塑黃土孔隙率降低，密度增加。為數(shù)不多的納米SiO₂顆粒主要粘附在土壤顆粒表面^［8］，加強了粘結，同時也填充了顆粒之間的孔隙，產(chǎn)生一種橋梁效應，將土壤顆粒連接在一起。隨著納米SiO₂摻量的進一步增加，重塑黃土產(chǎn)生了明顯的團聚效應，進而形成較大的團聚體，使顆粒間接觸面

積減少，且納米SiO₂與黃土顆粒相互鑲嵌在一起，交錯生長，孔隙間隙進一步減小，使黃土結構變得更加致密。當納米二氧化硅含量很高時，重塑黃土呈現(xiàn)松散堆積和較大孔隙的狀態(tài)^［9］。

高倍率SEM圖像表明，納米SiO₂摻入對處理后的黃土形成了包覆作用，且對納米SiO₂摻量非常高的黃土更為明顯，如圖5（c）所示。本質(zhì)上，納米SiO₂包覆對改良后的黃土的影響在結構變化中起到了雙重作用：一方面包覆作用導致了更粗的粒徑發(fā)展，粒徑分布結果證明了這一點（如圖3和圖4所示）;另一個衍生效應是涂層抑制了顆粒或聚集物之間的接觸。

2.5 討論

以上結果表明，納米SiO₂的加入能顯著改變黃土的物理性質(zhì)。隨著納米SiO₂摻量的增加，在不同的養(yǎng)護時間內(nèi)，納米SiO₂改良黃土的無側(cè)限抗壓強度呈非線性增加。這主要是由于水分和體積的減少進而導致納米SiO₂改良黃土力學強度的提高。粒徑分布和SEM圖像的結果表明，納米SiO₂改良黃土的微觀結構發(fā)生了明顯的改變，納米SiO₂的摻入會導致顆粒更粗，土骨架更密，進而產(chǎn)生較低的孔隙率。養(yǎng)護28 d后，顆粒尺寸和孔徑也有相似的變化趨勢。這意味著隨著養(yǎng)護時間的增加，大顆粒和納米SiO₂填充效應變?nèi)酢?/p>

同時可觀察到改良黃土的宏觀力學行為（如強度、密度和含水量）與微觀特征之間存在密切關系。SEM圖像結果證實，納米SiO₂顆粒的摻入促使多孔區(qū)域的填充和更大團聚體的形成，從而導致更大的顆粒尺寸和更多的顆粒間接觸。在某種程度上，納米SiO₂顆粒本身也有利于聚集形成，這種凝聚效應可歸因于納米SiO₂顆粒的大表面積和高表面活性。因此，納米SiO₂改良黃土產(chǎn)生了更高的力學強度。

3 結語

本文研究了不同含量和養(yǎng)護時間下的納米SiO₂改良黃土的力學和微觀結構特性的變化。結果表明，納米SiO₂可作為一種經(jīng)濟有效的黃土改良材料。同時，當養(yǎng)護時間足夠長時，納米SiO₂處理的黃土強度得到有效提高。此外，微觀特征與宏觀行為之間存在密切關系，黃土的宏觀行為在很大程度上取決于其微觀特征。因此，這種聯(lián)系有助于理解納米SiO₂對黃土特性的影響及其復雜的相互作用。納米SiO₂改良黃土的力學強度隨著摻量的增加和養(yǎng)護時間延長而逐漸提高，力學強度的累積增加可歸因于納米SiO₂使黃土中的顆粒更大、填充更密和孔隙率更小。

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收稿日期：2023-04-16