納米碳酸鈣對(duì)濱海水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響研究

摘要 為研究納米碳酸鈣對(duì)濱海水泥土的改性效果，文章對(duì)納米碳酸鈣改性水泥土進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，納米碳酸鈣對(duì)濱海水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度具有重要影響，其中濱海水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著納米碳酸鈣摻量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；當(dāng)納米碳酸鈣摻入比為2%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，7 d齡期下為2 704 kPa；與納米碳酸鈣摻入比為0的試樣相比，摻入比為2%的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了26%。

關(guān)鍵詞 濱海水泥土；納米碳酸鈣；應(yīng)力-應(yīng)變曲線；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）03-0125-03

0 引言

濱海軟土廣泛分布于世界各地沿海和湖泊地區(qū)，尤其是在我國(guó)的東部和東南亞地區(qū)。然而，濱海軟土具有抗剪強(qiáng)度低、土壤性質(zhì)變化大、孔隙率大、壓縮性高等不良特性[1-3]，建造在此類軟土上的建筑物可能因其承載力不足而出現(xiàn)沉降不均勻等問(wèn)題。因此，為了避免此類工程質(zhì)量問(wèn)題并確保建筑物安全，應(yīng)對(duì)濱海軟土地基進(jìn)行改良以提高其承載力[4]。目前，常用水泥、石灰等無(wú)機(jī)膠凝材料對(duì)濱海軟土進(jìn)行改良，其中水泥因其強(qiáng)度高、抗凍性好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于地基加固中。然而，大量的使用水泥會(huì)極大地增加碳排放量，且某些情況下單用水泥改性軟土并不能滿足要求。為減少水泥用量，一些學(xué)者利用其他材料和水泥共同對(duì)軟土進(jìn)行改良以提升其力學(xué)性能?，F(xiàn)有研究表明，納米材料作為新型添加劑在提高水泥土力學(xué)性能方面具有顯著效果[5]。

在現(xiàn)有的研究中，改性水泥土的納米材料主要包括納米SiO2、納米TiO2、納米MgO、納米硅、納米Al2O3等，并且摻入適量的納米材料可以有效提高水泥土的力學(xué)性能[6]。然而，納米碳酸鈣應(yīng)用于水泥土方面的相關(guān)研究鮮有公開(kāi)報(bào)道。納米碳酸鈣（NCa）是指粒徑介于1～100 nm之間的碳酸鈣微顆粒聚集體，粒子超細(xì)化導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)和表面電子結(jié)構(gòu)的改變，產(chǎn)生普通粒子不具有的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)[7]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)有研究可以發(fā)現(xiàn)，納米碳酸鈣主要用于混凝土及土的改良中。例如，陳學(xué)軍等[8]通過(guò)不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)研究納米碳酸鈣對(duì)桂林紅黏土力學(xué)強(qiáng)度特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著納米碳酸鈣摻量的增加，紅黏土的黏聚力、內(nèi)摩擦角及抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；Ohadian等[9]通過(guò)單軸抗壓強(qiáng)度和加州承載比（CBR）試驗(yàn)，研究了納米碳酸鈣改性泥灰土的力學(xué)性能，研究結(jié)果表明：納米碳酸鈣的最佳摻量為2%，相應(yīng)的CBR和單軸抗壓強(qiáng)度分別是未摻納米碳酸鈣試樣的2.7倍和1.4倍；Kannan等[10]通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探究了納米碳酸鈣固化低塑性細(xì)粒土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)納米碳酸鈣的最優(yōu)摻量為0.4%，相應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度則是沒(méi)有摻入納米碳酸鈣試樣的兩倍；Poudyal等[11]通過(guò)耐久性、硬化性等試驗(yàn)，探究了納米碳酸鈣摻量對(duì)硅酸鹽水泥混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻入1%納米碳酸鈣的硅酸鹽混凝土表現(xiàn)出了最佳的力學(xué)性能，其在56d齡期下的抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)與普通硅酸鹽水泥混凝土相比，分別增加了7%和降低了13%；Tao等[12]通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)，研究了復(fù)合納米碳酸鈣添加劑對(duì)海洋環(huán)境下水泥固化土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)摻入復(fù)合納米碳酸鈣添加劑的水泥固化土在海洋環(huán)境下30 d的抗壓強(qiáng)度較于復(fù)合納米碳酸鈣添加劑摻量為0的試驗(yàn)有顯著提高，在相同水泥摻量為15%和22%的條件下分別提高了14.2%和7.8%。

上述研究中可以看出，直接利用納米碳酸鈣對(duì)水泥土進(jìn)行改性方面的研究較少，納米碳酸鈣對(duì)水泥土的改良效果究竟如何值得探究。因此，該文利用納米碳酸鈣對(duì)濱海水泥土進(jìn)行改性，并利用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)探究納米碳酸鈣摻量對(duì)濱海水泥土力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究，以期為納米碳酸鈣在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土料取自浙江紹興的濱海軟土，按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50123—2019）進(jìn)行相關(guān)土工試驗(yàn)[13]，得到濱海軟土的物理指標(biāo)如表1所示。試驗(yàn)用的納米碳酸鈣，采用南京先鋒納米材料科技有限公司的XF11-1型納米碳酸鈣（40～80 nm），具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2所示。試驗(yàn)用的水泥，為紹興會(huì)稽山建材有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3所示。

1.2 試樣制作

先將土風(fēng)干后粉碎，過(guò)2 mm篩后再密封保存，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的各組分質(zhì)量，分別稱量土、水泥、水和納米碳酸鈣并充分?jǐn)嚢杈鶆?。試樣為直?9.1 mm、高度80 mm的圓柱形試件，靜壓5 min成形。成形試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱的溫度為20±3℃，相對(duì)濕度為95%。

試樣養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器采用由南京泰克奧科技有限公司生產(chǎn)的01-LH0501型全自動(dòng)無(wú)側(cè)限抗壓儀，加載速率為1 mm/min，試驗(yàn)方案見(jiàn)表4所示：

2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果與分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)離散性分析

為分析NCa試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的離散程度，引入變異系數(shù)CV，當(dāng)變異系數(shù)≥0.15時(shí)則離散性較大，表示有效值與真實(shí)值之間的誤差較大；反之，則試驗(yàn)數(shù)據(jù)就更為接近真實(shí)值[14]。其變異系數(shù)公式如下：

（1）

式中，σi——第i組峰值強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值；——強(qiáng)度σ的平均值；n——樣本容量。

如表5所示，給出了不同納米碳酸鈣摻量下水泥土的CV。所有試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)均小于0.15，可見(jiàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有效值與真實(shí)值之間的誤差較小。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

如圖1所示，為不同納米碳酸鈣摻量下NCa試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)圖1顯示，隨著水泥土中納米碳酸鈣含量的增加，7 d齡期下試樣的軸向應(yīng)力明顯增強(qiáng)。所有試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出了明顯的軟化特征，軸向應(yīng)力達(dá)到峰值后迅速下降。在相同養(yǎng)護(hù)條件下，隨著土中納米碳酸鈣的增多，水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線發(fā)生較大變化。在加載初期，水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線處于彈性受力階段，成線性增長(zhǎng)；在加載中期，應(yīng)力變化速度較快，迅速達(dá)到峰值；在加載后期，隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力先急速下降后趨向平穩(wěn)。

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值軸向應(yīng)力，即為試樣的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)圖1可以得到不同納米碳酸鈣摻量下NCa試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，如圖2所示。相較于NCa0，摻入不同比例納米碳酸鈣下的NCa試樣抗壓強(qiáng)度均有所提升，這是由于少量的納米碳酸鈣具有良好的填充效應(yīng)。由于顆粒尺寸遠(yuǎn)小于水泥顆粒，使水泥顆粒之間的細(xì)小空隙被填實(shí)，從而提高了抗壓強(qiáng)度[15]。同時(shí)，隨著納米碳酸鈣摻量的增加，NCa試樣的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。相較于NCa0，7 d養(yǎng)護(hù)齡期下NCa1、NCa2和NCa3試樣的抗壓強(qiáng)度分別提高了15%、26%和9%?？梢?jiàn)，NCa試樣在納米碳酸鈣摻量為2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，可認(rèn)為納米碳酸鈣改性濱海水泥土的最優(yōu)摻量為2%。

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）規(guī)定，水泥穩(wěn)定材料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是施工質(zhì)量控制的主要指標(biāo)[16]。其中，要求特重交通底基層填料在7 d齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa。當(dāng)納米碳酸鈣的摻量為2%時(shí)，試樣在7 d齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.7 MPa，滿足2.5 MPa的強(qiáng)度要求。因此，通過(guò)該文的研究可為納米碳酸鈣改性水泥土的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)論

該文通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了納米碳酸鈣摻量對(duì)納米碳酸鈣改性濱海水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等方面的影響，得出如下結(jié)論：

（1）相同水泥摻入比及齡期的條件下，摻入納米碳酸鈣的水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于未摻納米碳酸鈣的水泥土強(qiáng)度，且其強(qiáng)度隨著摻量增加而出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

（2）在7 d齡期下，納米碳酸鈣對(duì)水泥改性濱海軟土的最優(yōu)摻量為2%。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.7 MPa，滿足特重交通底基層填料在7 d齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足2.5 MPa的強(qiáng)度要求。

需要說(shuō)明的是，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果受試樣制作方法、試樣均勻性等因素的制約和影響，尤其是納米碳酸鈣不溶于水，其在攪拌過(guò)程中的均勻性很難得到保證，勢(shì)必會(huì)對(duì)試驗(yàn)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。

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收稿日期：2024-07-16

作者簡(jiǎn)介：王寶忠（1984—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：軟土地基處理、建筑結(jié)構(gòu)加固。

通訊作者：楊佳偉（2001—），男，碩士研究生，研究方向：施工技術(shù)與項(xiàng)目管理。