納米碳酸鈣改良水泥土動彈性模量試驗研究*

嚴 格 莊心善 陳青生

(湖北工業大學土木建筑與環境學院 武漢 430068)

水泥土是將水泥漿液同土體拌合所形成固結體的統稱，由于其可就地取材，施工方便，價格低廉,被廣泛應用于地基處理、農田水利、修建堤壩、道路等工程中。但眾多工程實踐表明：水泥土存在強度提高有限、后期變形較大，以及受動荷載作用影響較大而影響工期和力學性能劣化等缺陷，其工程性能已難以滿足日益增長的工程需求。納米技術是在20世紀末逐漸發展起來的前沿交叉性的新興學科。如今，該技術已經滲透到諸多領域，建筑材料領域就是其中之一。納米顆粒因其尺度在納米范圍，從而具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應及宏觀量子隧道效應，具有傳統材料所不具備的一些新特性。近年來，通過采用納米礦粉改良水泥土工程性能的研究已經成為水泥土研究領域的熱點。王文軍等[6]探討了納米硅粉在水泥硬化過程中的作用以及納米硅粉與土之間的作用，研究發現：納米硅粉能夠充分發揮自身的優越性，通過火山灰反應細化和消耗水泥水化產生的Ca(OH)2晶體，促進水泥水化速度和水化程度，填充水泥石中的微小孔隙，改善水泥石的細觀結構，這是納米硅粉改性水泥土的主要原因。王沖[2]通過試驗研究得出摻入適量的納米CaCO3可以促進水泥水化 反應的進行，改善水泥基材料的界面結構和水泥石的結構，能有效地提高水泥砂漿的強度。

目前，關于納米改良水泥土的研究成果很多，主要包括使用納米二氧化硅、納米二氧化鈦、納米氧化鎂、納米碳酸鈣、納米三氧化二鋁等對水泥土進行改良，絕大多數僅局限于自然環境下的納米水泥土在靜力荷載作用下強度和變形特性的研究。筆者采用不同摻量的納米碳酸鈣對水泥土進行改良，利用 GDS 真動三軸儀的動力加載模塊，對納米碳酸鈣改良后的水泥土進行動荷載試驗，研究納米水泥土動彈性模量的變化規律，從而得出納米碳酸鈣改良水泥土的最佳摻量，為實際相關工程提供參考依據。

1 土樣制備和試驗方案

1.1 試驗儀器和試驗土樣

試驗儀器為英國 GDS 真動三軸儀，如圖1所示。

圖1 GDS 真動三軸試驗儀及電子操控臺

GDS 測量系統可以精準施加圍壓、軸向壓力、反壓，并可以實時記錄土樣的軸向應變、孔隙壓力、體積應變等數據。

試驗所用粘土土樣來自于靈壽縣德舟礦產品加工公司。土樣的物理性質指標如表1所示，其中，ρ為天然密度，W1為液限，Wp為塑限。通過擊實試驗得出土樣最大干密度為1.5 g/cm2，最優含水率為20%，按最優含水率和最大干密度制作重塑土樣，試樣直徑為50 mm，高度為100 mm，制備時分5層搗實，每層進行刮毛處理。

表1 粘土基本物理力學參數

1.2 土樣制備和試驗方案

從加工公司買回試驗所用的粘土，放進烤箱烘干，將烘干后的土從烘箱中取出，默認此時干土含水率為零，過 2 mm 篩。試驗用土的含水率取最優含水率20%，水灰比定為45%，水泥摻量定為15%。

先將重塑試樣放入飽和器內抽氣飽和，再裝入GDS 真動三軸儀進行反壓飽和，直至飽和度B達到0.95時停止。本試驗采用不固結試驗，動荷載波形采用正弦波，在不排水條件下，分 10 級施加預設的動應力，幅值為25～250 kPa，頻率為1 Hz，圍壓為200 kPa，初始軸向力為500 N。方案如表2所示，其中，σ3為圍壓，σd為應力幅值，a為納米碳酸鈣摻量質量分數(納米碳酸鈣質量/濕土質量×100%)。

表2 水泥土動力試驗加載方案

2 試驗結果及分析

2.1 動應力應變關系

納米水泥土試樣的動應力-應變曲線σd-εd如圖2所示。

圖2 納米水泥土動應力-應變關系曲線

當εd<0.1%時，曲線比較陡，當動應力逐漸增大時，應變增大速度加快，曲線逐漸趨于平緩，整體表現為雙曲線關系。在相同條件下，當納米碳酸鈣摻量小于0.50%時，σd-εd曲線隨著納米碳酸鈣摻量的增大而向上移動；當納米碳酸鈣摻量大于0.50%時，σd-εd曲線隨著納米碳酸鈣摻量的增大而向下移。當應變初期εd<0.1%時，土體處于彈性變形階段，土體產生的變形主要為彈性變形，隨著動應力幅值的增大，土體逐漸由彈性變形階段過渡為塑性變形階段，土體產生的變形以塑性變形為主導，應變發展加快；相同應力幅值下土體的動應變隨著納米碳酸鈣摻量的增大而先減小后增大，說明在本試驗中納米碳酸鈣摻量為0%～0.25%時，能較有效地抑制水泥土動應變的發展。

2.2 動彈性模量特性

動彈性模量 Ed取滯回曲線兩端點連線的斜率，即

取每級荷載第8～10次循環加載的動彈性模量平均值和對應的平均動應變作為該級荷載的動彈性模量和動應變，繪制Ed-εd曲線，如圖3所示。

圖3 不同納米摻量下水泥土動彈性模量變化曲線

由圖3可知，在不同納米CaCO3摻量條件下納米水泥土的動彈性模量隨著動應變的增大先迅速減小后趨于平緩。在應變初期，當動應變小于0.10%時，曲線斜率較大，動彈性模量下降較快；大于0.10%時，曲線斜率較小，動彈性模量下降較慢。納米水泥土試樣在反復動荷載中，由于納米水泥土試樣的顆粒會發生摩擦，釋放應變能。在動應變小于0.10%時釋放的應變能較大，動應變大于0.10%時釋放的應變能較小。

在相同條件下，Ed隨著納米CaCO3摻量的增大而先增大后減小，表現為 Ed-εd曲線隨著CaCO3摻量從0增大到0.25%而向上移動，而當CaCO3摻量從0.25%繼續增大時，Ed-εd曲線則隨之向下移動，并且摻量增大到0.75%和1.0%時，此時的動彈性模量明顯小于摻量0的素土樣。由試驗結果可知，納米碳酸鈣摻量不宜過多，文獻[6]也指出，納米顆粒摻量過多容易產生團聚，并包裹水泥顆粒，因而阻礙水化反應，使得強度下降。納米碳酸鈣摻量過多所造成的團聚也會影響納米碳酸鈣在水泥土中的分散，使試樣產生過多的微小氣泡，增加硬化后土樣的有害孔數量，從而導致摻加0.75%、1.0%納米碳酸鈣的土樣動彈性模量明顯小于摻量0的土樣。

(1)相同應力幅值下土體的動應變隨著納米碳酸鈣摻量的增大而先減小后增大，說明在本試驗中當納米碳酸鈣摻量為0%～0.25%時，能夠較有效地抑制水泥土動應變的發展。

(2)摻加納米碳酸鈣的5組水泥土試樣中，0.12%、0.25%、0.50% 3組土樣動彈性模量明顯大于素水泥土樣，0.75%、1.0% 兩組土樣動彈性模量相對于素水泥土樣有所下降。試驗表明：使用適當摻量的納米碳酸鈣可以對水泥土的力學性能進行有效地改良。

(3)納米碳酸鈣改良水泥土的動彈性模量隨著碳酸鈣摻量的增大而先增大后減小，當動應變較小時，變化程度較大，隨著 動應變增大，變化較小。試驗表明在相同動應變下，當碳酸鈣摻量為0.25%時，水泥土的動彈性模量最大，本試驗中納米碳酸鈣改良水泥土的最佳摻量為0.25%。