納米土壤固化劑重構黃土力學性能的試驗研究

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.中國科學院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;2.西北農林科技大學 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;3.中國科學院大學,北京 100039;4.水利部 水土保持生態工程技術研究中心,陜西 楊凌 712100;5.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100)

在黃土高原及廣大無砂石料地區開展水土保持工程建設，傳統材料不但成本高,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境的威脅，而能利用當地水土資源的傳統固土材料又面臨著重構土體的力學性能亟待提升等問題。

由于利用固化劑改善各種重構土體力學性能具有廣闊的應用前景，在土木、水利、港口等方面的研究一直是熱點[1-4]。首先，國內外學者在開發不同種類固化劑基礎上，對不同質地和用途的重構土體性能進行了研究。樊恒輝等[5]研究了不同固化劑集流面的力學性能和集流效率，為固化劑固結土體研究提供了理論基礎；Hassan[6]、Pu[7]等對生物固化劑處理后的土體進行了強度和微觀分析，擴展了生物固化劑領域的研究；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度影響因素研究。還有許多學者通過納米材料外加劑改性等方法，在水泥基類土壤重構體性能提升方面研究取得了成果[9-10]。其次，隨著納米技術發展，納米材料在土體重構方面的研究逐步開展。Thomas等[11]發現納米材料對水泥混合軟黏土的固化土體抗壓強度具有積極的影響，但強度提升機理有待進一步探索；Kong等[12]探索了納米SiO2對黃土重構體的抗壓強度影響，但對其微觀結構變化的機理分析有待深入；陳澤超等[13]研究了不同納米材料對水泥土的力學強度影響，為納米材料提升土體性能研究做出了積極貢獻；高建恩[14]、Zhang[15]等發明了一種新型納米土壤固化劑，發現納米SiO2能顯著提升固化劑的抗折強度和抗壓強度，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土體性能的影響因素及在黃土高原等無砂石料地區的應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，通過室內典型試驗和物理化學分析等方法，探索新型納米土壤固化劑對重構黃土力學性能的影響，為新型土壤固化劑重構土體力學性能及在水土保持工程領域的廣泛應用提供科學支撐。

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)的基礎上，通過添加納米二氧化硅(SiO2)而創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 制樣及養護

試驗用土自然風干后過2 mm篩，將各組次混合料按照最優含水率配制完畢后，采用《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》JTJ057—94中無側限抗壓強度試驗原理成型，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，拆模后塑封養護，到達規定齡期后進行抗壓試驗。標準養護條件是溫度(20±1)℃，相對濕度>95%。養護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量比設計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，每組試件設計6個平行試樣。將各組次試件分別養護7，28，90 d，到齡期后將養護好的試件從水中取出，用軟布吸去表面可見自由水，養護前后對每個試件分別量高稱重。采用WDW-100微機液壓萬能材料試驗機進行無側限抗壓強度試驗，強度計算公式見式(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為試件的無側限抗壓強度(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 結果與分析

2.1 納米固化劑重構土體強度的影響因素

2.1.1 齡期和摻量對固化土強度的影響 為了研究不同摻量的N-MBER對黃土力學性能的影響，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準條件下養護7，28，90 d，養護到期后進行無側限抗壓強度試驗，分析N-MBER養護齡期和摻量對納米固化土(N-SS)強度的影響。養護齡期和摻量對無側限抗壓強度影響結果如圖3—4所示。

圖3為N-SS養護齡期和無側限抗壓強度(UCS)關系圖。可見，N-SS的UCS隨著養護齡期的增大而增大；同一齡期內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抗壓強度最高可達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 納米固化土的強度與養護齡期關系

圖4為N-MBER摻量和N-SS無側限抗壓強度(UCS)的關系。可見，納米固化土的無側限抗壓強度隨固化劑摻量的變化規律可用Allometric函數進行預測，模型方程見公式(3)。

圖4 納米固化土的強度與摻量關系

EUCS=a+b·PC

(3)

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

公式(3)表明，N-SS重構土體的抗壓強度EUCS與摻量P服從一種指數函數關系。利用Origin軟件對無側限抗壓強度的擬合結果進行擬合程度分析,結果見表3。可見該模型可以較好地模擬N-SS無側限抗壓強度隨N-MBER摻量的變化趨勢。

表3 試驗黃土的基本化學成分

表3 模型參數與計算結果擬合程度

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特性的重要指標[16]。為了明晰納米固化土單軸受壓情況下的破壞過程，對不同養護齡期、不同N-MBER摻量的N-SS試件在無側限抗壓強度測試中的破型過程進行數據分析，結果如圖5所示。

圖5A為7 d齡期下不同摻量的N-SS試件單軸受壓應力—應變關系，由圖5A可知，當N-MBER的摻量由6%增大到18%時，應力—應變曲線峰值位于應變量的40%～60%，且隨著摻量的增加，應力峰值逐漸增大，說明抗壓強度逐漸提升，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；圖5B—C分別為28 d齡期和90 d齡期下不同摻量的N-SS試件單軸受壓應力—應變關系，由圖5B—C可知，齡期越大，峰值應力越大，同一齡期內不同摻量的N-SS試件應力—應變關系變化規律與圖5A基本一致，圖5B的曲線峰值位于應變量的30%～60%，圖5C的曲線峰值位于應變量的50%～60%。圖5表明：隨著養護齡期的增長，各齡期內的試件抗壓強度逐漸增強，且同一齡期內隨著N-MBER摻量的增大，材料的脆性逐漸增強，90 d的平均峰值應力對應的應變量較7 d和28 d可提升約10%。說明養護齡期越久，試件在相同應力下應變量越小，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力-應變關系

2.2 不同固化劑重構土體力學性能對比

2.2.1 3種不同固化劑固土強度 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度的影響，在相同試驗條件下進行制樣并進行同期養護，養護到期后分別將3種固化劑重構土體N-SS(納米固化土)、SS(普通固化土)和CM(水泥土)進行無側限抗壓強度試驗，結果見圖6。

圖6 不同固化土的無側限抗壓強度

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

2.2.2 吸水率、干密度與固化土強度關系 由于吸水率和干密度對與常規水泥基類固化土的強度變化密切相關[17-18]，因此結合3種不同固化劑重構土體的無側限抗壓強度結果，以12%固化劑摻量為例，對3種重構土體在不同養護齡期的吸水率和干密度進行分析，給出不同固化土試件無側限抗壓強度和吸水率及干密度的關系。圖7為3種固化劑重構土體無側限抗壓強度和吸水率的關系，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4%～6%，說明在重構土體的水化過程中N-SS整體吸水率更高，而隨著吸水率WA的增加，土體無側限抗壓強度E1逐漸增大，故而N-SS的抗壓強度高于SS和CM。

圖7 不同重構土體UCS和吸水率的關系

圖8為3種固化劑重構土體無側限抗壓強度和干密度的關系，由圖8可知，隨著干密度的增大，SS和CM重構土體的抗壓強度逐漸增大，90 d養護齡期內抗壓強度的最大值對應的干密度為1.71～1.72 g/cm3，相比之下N-SS重構土體各齡期的干密度更趨近于最大干密度，故而N-SS的抗壓強度在各齡期都表現更好。

圖8 不同重構土體UCS和干密度的關系

2.2.3 不同固化土顆粒組成及微觀結構 為了定量分析不同土壤固化劑對黃土的固結效果，利用馬爾文激光粒度儀分別對養護7，28，90 d的N-SS，SS和CM試件進行顆粒粒徑分析，通過對比不同固化土顆粒粒徑的分布規律，對3種不同固化土的微觀結構進行表征。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分別為不同重構土體在各個齡期下的顆粒粒徑分布圖，其中N-SS重構土體在各齡期和摻量下，其粒徑分布規律基本一致。12%摻量下的N-SS重構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重構土體小30%～60%，顆粒粒徑數據見表4。表4為馬爾文激光法測得的固化土顆粒單位質量表面積和中值粒徑，由表4還可看到，在7，28，90 d的養護齡期下，各組次的重構土體中12%摻量下的N-SS比表面積最大，分別達到0.561，0.582，0.462 cm2/g，比同摻量的SS和CM為30%～40%。根據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、土體單元結構越復雜，同時土體顆粒的中值粒徑也是表征顆粒尺寸的重要參數，中值粒徑越小說明整體顆粒越細，均勻度越好。

圖9 不同固化土的顆粒分布

在對上述3種固化劑重構土體顆粒粒徑分析的基礎上，采用Tyler[21]、楊培嶺[22]等提出的土壤粒徑分形維數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。分形維數D的計算模型基本形式見公式(4)。

(4)

上式兩邊取對數，得：

(5)

表5 不同固化土顆粒分布的分形維數D值

由表5可知，3種重構土體在7，28，90 d養護齡期時，其顆粒的分形維數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 納米固化劑重構土體強度規律

水泥基類固化劑重構土體的強度隨固化劑摻量和養護齡期的變化規律以往多為線性規律或二次函數規律[23-24]，而本研究提出的指數函數關系表明利用N-MBER加固黃土，二者能夠產生復雜的物理化學反應，在數學表達上更加接近于材料強度增長的實際情況，宏觀上表現為N-MBER的加入能顯著改善黃土的物理力學特性，使得N-SS試件材料內部結構更加密實，因而無側限抗壓強度顯著提升。

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部分為材料內部孔隙閉合階段，該階段試件內裂隙逐漸被壓縮閉合而產生非線性變形，土壤氣相減小，固相不變，卸載后變形全部恢復，屬于彈性變形；(2)峰值應力前的β階段為線彈性變形階段，此階段主要由固相減小所致，應力—應變曲線近似為一條直線，此時固化土的應力達到峰值應力的70%左右，表明其彈性變形階段大致處于固化土軸壓強度0.7倍左右，卸載后變形可完全恢復[27-28]；(3)峰值應力過后的γ階段為材料破型階段，這一階段在應變增加不大的情況下應力迅速減小，裂隙逐漸增多至貫通，應力急劇下降，試件產生了較大的塑性變形，材料破壞且不可恢復。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部結構受力變化，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性能分析

吸水率和干密度作為固化土強度變化的主要影響因素，二者和土體無側限抗壓強度變化呈現顯著相關[17,29]。吸水率影響土體強度主要是由于：固化土內部水化水解反應的進行需要消耗一定的水分子，隨著水化水解進程的不斷發展，消耗的水分子逐漸增多，試件內部反應逐漸充分，整體抗壓強度逐步提升，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]，使得固化土反應更加充分，因此相同養護齡期內N-SS的吸水率更大，相同吸水率條件下N-SS的強度更高。

干密度對土體強度的影響主要表現為：重構土體的抗壓強度是由試件內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狀聚集體組成，土體干密度越大，表明單位體積內的晶體數量越多，空間結構越復雜，故而抗壓強度UCS越大[33-34]。而N-SS的內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上強化膠體空間網狀結構，重構土體界面，因而在相同干密度條件下N-SS的空間網狀結構更加復雜，力學性能明顯優于SS和CM。

通過對比不同材料固化土顆粒粒徑分布規律，利用分形理論探討N-MBER對重構土體強度的影響。由于分形維數D在土壤微觀結構形態方面，表現為顆粒粒徑越細，其分形維數數值越大[35]，表明N-SS相對于SS和CM，其土體顆粒粒徑更細，空間分布更均勻，土體微觀結構更復雜。通過對比分析，發現N-SS在微觀形態和結構方面明顯優于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構最合理，而作為微觀形態和結構的宏觀表征，其重構土體的力學性能也更優越。

根據上述研究結果，在黃土高原等缺石少砂地區采用新型納米土壤固化劑對土體進行重構，并在此基礎上開展諸如邊坡防護、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 論

(1)構建了固化劑摻量與納米固化土無側限抗壓強度關系的函數計算模型，為實際應用提供了技術支撐。

(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。為納米固化土的應力應變研究提供了理論基礎。

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