（岩土工程专业论文）改性红粘土的微观力学分析.pdf

摘要 摘要 红粘土具有较突出的高含水率、高孔隙比和高塑性，同时也具有良好的胶 体化学性质。在孔隙比大、含水量高的情况下也具有较高的承载力和低压缩性等 工程力学性质，是较好的建筑物基础。 红粘土力学性特点是具有抗剪强度高，粘聚力大，压缩性低的，虽然土体 膨胀性较弱，但具有一定收缩性。工程中常用的换填、夯实、地下水疏导等处理 方法，在实际工程中由于造价等因素影响其实际效果并不理想。 采用多元改性掺料对红粘土进行处理，利用多种材料间的复合作用，有效 的提高了红粘土的工程性能和物理力学性质的稳定性，取得了良好的改性结果。 本文结合m a t l a b 软件应用数值分析方法对改性红粘土的宏观和微观试验数 据及电镜图进行定量分析，建立改性红粘土损伤变量与主应变间的拟合方程，取 得以下三方面进展：( 1 ) 对改性红粘土的微观研究和试验数据分析，通过微集料 效应、形态效应、界面效应、微结构层次等方面对改性红粘土结构性要素进行定 性化研究，阐明改性方法取得的微观结构上的改变对土体复杂力学性质的控制作 用。( 2 ) 利用c t 扫描分析，观察到土体微观结构随荷载增加的改变过程，对改 性红粘土土体接近破坏前塑性软化过程进行了解释。( 3 ) 建立了改性红粘土的损 伤演化方程，为改性红粘土的工程应用提供了理论基础。 关键字：改性；红粘土；微观力学；数值分析；m a t l a b 1 1 1 a b s t r a c t m i c r o m e c h a n i c a la n a l y s i so fd e n a t u r e dr e dc l a y a b s t r a c t t h ep r o m i n e n tf e a t u r e so fr e dc l a ya r eh i g hw a t e rc o n t e n t ，v o i dr a t i o a n dp l a s t i c i t y ，f i n ec o l l o i d a lc h e m i c a lp r o p e r t i e s i th a sh i g hc a r r y i n g c a p a c i t ya n dl o wc o m p r e s s i b i l i t yw i t hh i g hw a t e rc o n t e n ta n dv o i dr a t i o ， s oi t i saf i n eb u il d i n gf o u n d a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r eh i g hs h e a r s t r e n g t ha n dc o h e s i o n ，l o wc o m p r e s s i b i l i t y t h o u g hr e dc l a yh a sl o w d i l a t a b i l i t y ，i th a ss o m ee x t e n tc o n t r a c t i b i l i t y t r a d i t i o n a la p p r o a c h e s s u c ha sr e p l a c e m e n t ，t a m p i n g ，g r o u n d w a t e rd i v e r te t c d on o tw o r kw e ll f o rs p e cif icr e a s o n s n e wa p p r o a c ha d o p t sm u l t i p l em a t e r i a l st od e n a t u r er e dc l a y t h i s a p p r o a c ht a k e sf u l la d v a n t a g e so fa d m i x t u r e s ，e f f e c t i v e l yi m p r o v e st h e n a t u r eo fw o r k s ，p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，h a sa c h i e v e dg o o d r e s u lt s t h i sp a p e rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sm a c r oa n dm i c r oe x p e r i m e n t sa n ds e m d a t u mo fd e n a t u r e dr e dc l a yb yn u m e r i c a la n a l y s i sc o m b i n e dw i t hm a t l a b s o f t w a r e ，e s t a b lis h e st h ee q u a t i o no fd a m a g ev a r i a b l ea n dm a i ns t r a i n f o l l o w i n gp r o g r e s s e sa r em a d e ：( 1 ) a n a l y z i n gm i c r oe x p e r i m e n t sd a t u ma n d q u a n t i t a t i v es t u d y i n g s t r u c t u r a l e l e m e n t sb yav a r i e t ye f f e c t so f m u l t i p l em a t e r i a l s ，i l l u s t r a t i n g t h ec o n t r o la c t i o nb e t w e e n m i c r o - s t r u c t u r ed e n a t u r a t i o na n dc o m p l e xm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ：( 2 ) o b s e r v i n gm i c r o s t r u c t u r ec h a n g i n gw i t hl o a d i n gb yc te x p e r i m e n td a t u m ， i n t e r p r e t r e d c l a y ss o f t e n i n gp r o c e s s b e f o r es o i ld a m a g e ；( 3 ) e s t a b li s h i n gr e dc l a y sd a m a g ee v o l u t i o ne q u a t i o n s t h e s ec o n c l u s i o n s p r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rr e dc l a y sa p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：d e n a t u r a t i o n ：r e dc l a y ：m i c r o m e c h a n i c s ；n u m e r i c a la n a l y s i s ： m a t l a b i v 原创性声明 附：学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明9 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：甚勿睦翌 日 期：圣q q 生厶旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ， ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盘堑遣耋导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 贵州省是我国红粘土主要分布区域，大量的工程都要解决与红粘土相关的 问题。如果无法克服红粘土的缺点，不但无法节约成本，还将会给工程建设造成 很多不利的影响；如果能将其很好的应用于工程建设当中，就能就地取材、降低 工程造价，具有相当的工程意义。 1 1 研究目的和意义 红粘土是贵州省一种区域性特殊土体，在省内分布广泛，因此它在工程中 可以同时扮演基础、施工材料、施工环境保护材料三大角色。我国对改性红粘土 应用方面的研究主要集中在早期传统方法的治理和改良，科研进度明显滞后于它 的实际应用，更没有深入分析土体微观结构的改变对宏观力学性能的控制作用以 及加载过程中普通和改性红粘土力学行为的差异。因此从土体微观结构方面深入 系统的对改性红粘土进行研究是很有必要的。 1 2 国内外研究现状 粘性土的微观结构是确定其工程性质的一个非常重要的因素，土体宏观工 程性质很大程度上受到土体微观结构的影响，土体复杂的物理力学形状是其微观 结构特性的集中体现懈。土的微观结构的研究程度与其所采用的观察手段关系密 切怕，n 。在2 0 世纪2 0 年代以前，由于技术手段的限制，关于土的微观结构的知 识主要是建立在假想的土颗粒排列的基础上；到了2 0 世纪5 0 年代后期，光学显 微镜、x 光衍射和电子显微镜相继被用来观察土的微观结构，土的真实形貌才得 以揭开；随着6 0 年代晚期扫描电镜和土样制备技术的发展，对粘性土微观结构 的认识也提升到了一个新的高度。国内外就有土壤学家和工程地质学家如 t a i r b a i n ( 1 9 4 3 ) 、l a m b e ( 1 9 5 3 ) 、陈宗基( 1 9 5 7 ) 、s i l v e r m a n ( 1 9 6 0 ) 等用x 射线衍射仪和偏光显微镜对矿物片( 粘土矿物片) 的微观结构进行定量测试工作， 取得了一定的成绩；从7 0 年代开始，计算机图象处理技术不断提高，开发出 些专门用于定量分析土微观结构的软件，从而加快了土微观结构研究进程；到了 第一章绪论 8 0 年代中期，计算机断层扫描仪开始应用到岩石分析中。这种可以无损的探测 多孔地质介质和其内部液体的物理和化学性质的技术应用到土体研究中，使对土 体的研究发生突飞猛进发展n 。 土的微观结构研究主要涉及三个方面：一是微结构的室内测试设备；二是 现场原状取土技术；三是保持样品结构不变的脱水干燥技术。近年来微观结构研 究方面，施斌嫡1 等研究人员开发了一系列软件，在微结构量化分析上取得了大量 成果。在脱水干燥方面，李生林n 妇等取得了实质性成果，这些研究成果为今后进 步分析奠定了基础。 二十世纪二十年代中期到五十年代初期，土力学奠基人太沙基最早开始对 土体结构进行研究，他就强调指出：“在评价粘性土的强度和变形时应当注意其 结构的重要性”。他所倡导的微观结构概念是土体微观结构研究的开端，这个时 期由于观测手段的落后，难以对土体复杂的结构进行系统描述。进入二十世纪六 十年代，光学显微镜、x 射线衍射等技术的应用使土体微观结构研究进入一个新 阶段。这期间我国土体结构的研究也取得长足发展，提出了土体结构概念，等等。 到了二十世纪九十年代，随着电子技术的引入和新数学方法的出现，对土体微观 结构可以进行半定量研究后，使土体微观结构的研究在结构层次上取得了很大的 发展。之后随着计算机图形处理技术以及c t 技术的运用，为从微观结构形态方 面进行土体结构综合定量化研究提供技术平台，使土体微观结构研究进入了新的 篇章。 1 3 研究内容 红粘土改性方法能取得成功，是由于改变了红粘土微观结构，也就是红粘 土宏观物理力学性质是受其微观结构整体行为控制的。故直接从普通红粘土微观 结构特点和缺陷入手，完善其中心质体系，改善红粘土各颗粒间结合力、结合方 式、界面相等才能最终取得改性红粘土力学性质的提高。 以贵州施工中经常遇到的红粘土作为研究对象，以西部交通建设科技项目为 基础，该科技项目系统的研究了红粘土的化学性质和物理特征，从固化机理分析 着手，克服了以往传统的稳定固化红粘土方法的弱点，在很大程度上解决了红粘 土的水稳定性等问题，使红粘土成为了一种优良的工程材料。该研究的理论工作 2 第一章绪论 有独创性且有新意，是目前国内外研究此类红粘土工作中较为全面的。初步阐述 了改性红粘土的固化、多种改性材料间的的复合作用和复合效应。 但其对土体改性后土体微观结构的变化及其与宏观力学性质的联系分析部 分阐述不尽，故本文着重分析改性材料对红粘土的微观结构的造成的影响，从土 体微观改变上分析红粘土工程性能的的改进，以及这些微观结构改变对其宏观力 学性质的控制作用，并利用c 1 扫描数据对改性红粘土进行微观力学行为分析。 本研究分为两部分： ( 1 ) 改性红粘土微观结构研究：由于红粘土特殊工程性质主要是由内连结 力、大孔隙比、高含水量决定，本改性方法针对这些特点，利用多元改性材料的 物理、化学效应，通过改变红粘土中心质层次数量，处理红粘土中自由水的问题， 改善颗粒间界面相等方法来改变红粘土微观结构，达到改良红粘土的效果。 ( 2 ) 改性红粘土的试验室论证：在取得了改性红粘土的基础理论后，针对 改性红粘土在工程中的应用，利用已有的较全面的物理和力学的试验室试验，从 微观结构的改变上深入分析改性红粘土力学性质提高的原因，并分析改性红粘土 的力学行为的特点。 3 第二章改性红粘土的微观结构分析 第二章改性红粘土的微观结构分析 2 1 改性红粘土材料复合机理形成的物理意义和基础理论 根据是我国学者吴中伟乜1 提出的中心质假说，建立改性红粘土材料复合组成 结构理论。这种改性思想是改性红粘土理论的精髓。改性材料之所以需要复合， 是因为参与构成改性红粘土那些基础材料分别具有各自不同的性能特点，所以这 些材料要相互补充地在改性红粘土当中发挥作用。其理论意义可由图2 - 1 表示： 图2 - 1 中心质假说 按照中心质假说，改性红粘土中的红粘土颗粒、改性基料、水属于大中心 质，大中心质会对周围介质所产生吸附、化合、机械咬合、粘结等效应，效应所 能达到的范围称之为“效应圈”。合理利用有利的中心质效应可对改善红粘土的 宏观力学行为能起重要的作用。 4 第二章改性红粘土的微观结构分析 中心质假说按组份( 粒子) 尺度分为三个层次：大中心质、大介质；次中 心质、次介质；微中心质、微介质。中心质理论的特征和意义简介如下： ( 1 ) 各级介质( 连续相) 中的各级中心质( 分散相) 以均布、网络、紧密 的最佳状态在材料中分散。在中心质与介质的界面两侧，存在着过渡性的界面区 ( 过渡带) ，是渐变的非均质的过渡结构。排列顺序为中心质一界面区一介质。 ( 2 ) 网络化是中心质的特征，各层次的中心质网络构成改性红粘土的骨架。 各级介质充填在各级中心质网络之间，其均布性与复合强化网络骨架是高强、高 功能的必要条件。 ( 3 ) 界面相保证着中心质与介质的连续性，所以界面相的优劣决定复合集 料的强度、韧性、耐久性、整体性和均布性的优劣，强化界面相是高强、高功能 改性红粘土性能的又一必要条件。因此在改性红粘土的界面区非但不应是集料的 薄弱部分，还应有利于网络结构的形成和中心质效应的发挥，将中心质某些性能 传给介质。显然界面区的组成结构以及界面区的中心质效应，是改性红粘土重点 研究的所在。 ( 4 ) 各种尺度的孔隙也是一种分散相，分布在各级介质之中，因此也是中 心质。尺寸较大的孔对强度等性能不利，也不参加构成网络，它在改性红粘土中 只起到补给水与提供水化物生长空间的作用。 2 2 普通红粘土物理力学性质及其的微观力学机理分析 红粘土具有高孔隙比、高含水量等特点，并且土体中游离氧化铁对结构的 胶结和其自身形态转化造就了红粘土特殊工程性质。要改良红粘土就必须改变造 成其特殊力学性质的土体微观结构。 红粘土的物理力学品质具体表现在下面三个方面： ( 1 ) 深渊状结构 红粘土分散性高，小于2i lm 颗粒在5 0 左右，粘土矿物粒团间有较大孔隙。 红粘土中的孔隙分为土颗粒和矿物粒团间的大孔隙和矿物粒团内部的微孔隙，土 体内存在大量游离氧化铁胶体为红粘土提供了结构强度，赋予红粘土与其他类型 土体不同的工程性质，红粘土这个特点使红粘土内形成很多深渊状结构( 图2 5 第= 章改性红粘土的微观结构分析 2 ) ，使其在高孔隙比的情况下有较高强度。本章s e m 图引自郭明、朱立军资料。 这种不密实的空间结构是不稳定的。由于游离氧化铁的转化对孔隙中水含量敏 感，在土体得水、失水的过程中，颗粒间这种连结力在一定条件下会丈幅降低， 使得红粘土物理、力学性质都发生了根本变化。 ( 2 ) 一层中心质 图22 普通红粘土电镜图 图23 普通红粘土中心质特点 普通红粘土内主要存在土颗粒和矿物粒团、水、孔隙三种大中心质和大介质 ( 图2 3 ) 各介质间界面结合力较差。土颗粒含量较高，表面光滑，粒径大小 相似形成深渊状构造，产生相当的孔隙。红粘土这种多孔并饱水的结构，要有 次中心质、微中心质填充进去才能满足紧密堆积原理。土体内部颗粒间的界面连 结力单一( 主要是游离氧化铁胶结作用) 且对环境敏感，这些特点造成红粘土工 程性质不稳定，不利于其在工程中的应用，这也是改性中需要解决的问题。 ( 3 ) 强度不可设计 红粘中颗粒和矿物粒团都有一定强度，但是三个中心质接触界面是红粘土 强度的薄弱呵= 节，再加上其胶结体系的特点，使红粘土在外部自然环境变化时表 第二章改性红粘土的微观结构分析 现出完全不同的力学性质，传统的物理或化学改性方法没有从土体结构角度解决 这个问题，用以往方法处理过的红粘土结构强度也就不可设计。 2 3 改性红粘土的微观机理分析 红粘土的改良，从微观结构上是立足于颗粒与颗粒之间的作用，这些方法 包括从颗粒紧密堆积、界面改善、孔隙中水的处理、颗粒的强度激发等方面来解 决。改性红粘土的多种改性掺料的效应一般都有微集料效应、形态效应、火山灰 效应、界面效应等，但不同的掺料在不同的效应形式下，可能表现为正效应或负 效应，而这主要取决于矿物掺料的物理性态、化学组成等特征。改性红粘土掺料 的物理性能、掺量比例得当，多种掺料在改性红粘土中实际表现出的综合正效应 要大于单一掺料。 2 3 1 孔隙的填充 孔隙填充主要包括微集料效应和形态效应。 ( 1 ) 微集料效应 普通红粘土颗粒粒径主要集中在2 1 0um 范围，除去粘土矿物粒团内部的 微小孔隙，粒团和颗粒间还存在相当数量孔隙。在改性红粘土的微集料中水泥颗 粒( i - i 0 i im ) 、粒化矿渣( 5 - 7 l lm ) 、粉煤灰( o 2 2 | lm ) 、硅灰( 1pm ) 的粒 径从大到小各不相同，这些材料经过适当比例的混合，形成了改性红粘土粉体材 料良好的微级配。这些连续的级配可以增加中心质层次，有效填充红粘土颗粒间 孔隙，限制改性红粘土的收缩空间，增强改性红粘土抗压强度。集料的概念来源 于混凝土，指其中的碎石等起到骨架作用和填充作用的原料。最初的微集料概念 伽，是指水泥浆中尚未水化的熟料颗粒内芯，所以微集料效应不仅仅是物理效应。 在改性红粘土的微集料本身颗粒强度就很高，而且由于粒径分布范围不同，都可 以起到对孔隙的物理充填和微级配作用。其中粉煤灰的填充作用与其他材料的并 不完全相同，它还具有活性填充的特点。粉煤灰活性颗粒的水化反应能使粉煤灰 颗粒与其他颗粒表面形成胶结，对界面起到致密作用。由于粉煤灰颗粒周围形成 的水化产物的凝胶网络，使其充填效果得到强化。 改性材料中的水泥、磨细矿渣等材料要发挥好微集料效应，需要均匀散布 7 第二章改性红粘土的微观结构分析 于红粘土之中，粒径越小的颗粒这种分散效果越好。因此微集料的活性与其细度 有关，本改性材料控制集料粒径较小才增强了微集料填充效应。改性材料较小的 粒径，也有增强了微集料之间相互作用，提高微集料填充效应。改性红粘土中的 微集料效应的发挥存在临界值，过量加入微集料会导致土体膨胀，所以改性材料 掺量也得到了较好控制。 ( 2 ) 形态效应 改性掺料中的水泥颗粒、磨细矿渣、硅灰由于颗粒大小和颗粒外表形态的不 同，会产生良好的形态效应和集料颗粒间的界面效应，增强界面问摩擦力。形态 效应是泛指粉煤灰等颗粒形貌、粗细、表面粗糙度、级配、内外结构等几何特征 以及色度、密度等特征在改性材料中产生的效应。改性红粘土中掺料的颗粒形貌、 细度、分布不仅增强界面间结合力，还会对其水化深度及其硬化后的性能有影响。 掺料中的水泥、矿粉多为不规则且表面粗糙的颗粒，硅灰为直径很小的球形颗粒， 粉煤灰为表面光滑的球状玻璃体颗粒。由于矿粉颗粒不规则且表面粗糙，矿粉、 硅粉与粉煤灰的共同作用还能起到一定的增加塑性和降低孔隙水的作用，有益于 改性红粘土内密实结构的形成，提高改性红粘土的的抗渗性、强度和结构稳定性 性。 掺料颗粒的形态效应与掺料的用量和品质有关。本改性材料的合理使用比例 使其具有良好的形态效应，提高改性红粘土的强度，掺料的过量使用同样会对土 体强度会产生负效应。掺料的品质对其作用也有影响，如果掺料颗粒是多孔的、 杂质( 如粉煤灰中的石灰和石膏等) 含量过高、品质不纯就会改变颗粒的形貌， 使其丧失了形态学上的优势性，不能发挥改性材料应有的作用。因此，本改性材 料在掺料品质和用量适当时，通过多元改性材料间的复合效应，可以起到增加红 粘土中心质层次、形态互补的效果，从微观结构的改善来提高改性改性红粘土宏 观性能。 如图2 4 所示，原红粘土颗粒间的深渊状孔隙已经变成多种改性材料组成 的微集料体系，造成深渊状效果的孔隙被填充，改性红粘土内部孔隙结构的变化 直接对物理力学性状产生影响。 8 232 界面相的改善 图2 4 改性红粘土电镜圈 b2 5u m 在增加颗粒间接触面的同时，还需要提高各层中心质之间的界面连结力。由 于改性材料之日j 存在的界面效应，在颗粒问界面上形成了强度薄弱面，使改性材 料整体力学性能低于其中单个材料性能。这种效应包括改性红枯土在拌合及压实 过程中，粘土颗粒周围形成的水膜，使贴近骨料处比远离骨料出水扶比高，造成 了界面过渡区域微孔隙体积的增大，土体中c a ( o h ) ，富集并择优取向，存在大 量微裂缝。因此改性红枯土内部颗粒的界面过渡区是其强度的薄弱环节。要降低 这种对改性红粘土的不利影响，可以通过改性掺料降低水的表面张力，增加水分 子的分散性以及置换出孔隙水，以达到改善颗粒问过渡区变化的不均匀性，降低 界面过渡层厚度，增强掺料颗粒活性的目的“。 掺入矿粉、粉煤扶、硅扶等其中的种或几种均可减少界面中的这种不利效 应。由于矿粉、粉煤扶、硅扶等的颗粒尺寸较小，保水性好，可抑制士颗粒周围 水膜的形成，从而改善界而过渡区的结构，使得胶体集料界面的祜结力增强。 囡此，矿粉、粉煤扶、硅扶等掺台料无论j j 入一种或几种，都能发挥积极的界面 效应。这就使得在提高中心质层次( 罔2j ) 的同时，叉改善了中心质各颗粒问 界面相的连结力和摩擦力。 第二章改性红粘土的微观结构分析 层 层 层次i 2 3 3 火山灰效应 图2 - 5 三层中心质 粒化矿渣、粉煤灰、硅灰等掺料都能进行火山灰反应，它们在水化过程中会 互相激发产生复合胶凝效应。改性掺料中活性最高的水泥水首先发生反应后生成 水化硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 n h 。0 ) ，氢氧化钙( c a ( o h ) 。) ，水化铝酸三钙 ( 3 c a o a 1 ：0 3 n h 。o ) 等物质，使矿渣、粉煤灰、硅灰能进行二次水化反应。硅 灰由于粒径最小，其在水泥相关反应的作用下水化反应快；矿粉可以进一步促进 粉煤灰颗粒周围c s h 凝胶的形成，使粉煤灰颗粒中的硅、铝化合物参加反应，进 而加速矿渣和硅灰的火山灰反应。改性红粘土的硬化过程中，水泥的水化反应在 先，火山灰反应的二次反应在后，而这样两类反应交替进行，相辅相成，互相制 约。水泥的水化反应为粉煤灰的二次反应提供c a ( 0 h ) ：，而粉煤灰则按照“粉 末效应 的原理，为水泥水化反应提供较多的水化产物沉淀场合，从而促进水泥 的水化作用。因此，掺入粒化矿渣、粉煤灰、硅灰对改性红粘土的综合效能好于 掺入其中一种。火山灰反应除了作为钙矾石生成提供材料外，还有以下作用：生 成c s h 凝胶提高红粘土早期强度；促使红粘土内部氧化硅( s i 0 2 ) 、氧化铝( a 1 。0 3 ) 反应激发其活性。 火山灰反应过程如下：粉煤灰中活性氧化硅( s i o 。) 、氧化铝( a 1 ：0 。) 在常 温下，与水、碱性材料反应生成具有胶凝性质的水化产物，该水化产物与c a ( o h ) z 发生火山灰反应，生成水化硅酸钙( 3 c a o s i 晚n h ：0 ) 和水化铝酸钙 ( 3 c a o a 1 ：0 。n h ：o ) 其反应式是3 c a ( o h ) ，s i o ：+ ( n - 3 ) h ：o - - * 3 c a o s i o z nh z o 1 0 第二章改性红粘土的微观结构分析 和3 c a ( o h ) 2 + a 1 ：o 。+ ( n - 3 ) h 2 0 - - ，3 c a o a 1 ：0 3 1 3h z o ，火山灰反应主要产物成为 c s h 凝胶。 火山灰反应也同时消耗红粘土颗粒中的二氧化硅( s i 0 2 ) 和氧化铝( a 1 2 0 3 ) ， 生成c s h 凝胶增强颗粒间连结力、充填孔隙，并腐蚀红粘土颗粒光滑的表面，进 一步提高土体内部大中心质界面间摩擦力。 在改性红粘土强度增长过程中，水泥的水化反应与火山灰反应交替进行，相 辅相成。水泥的水化反应提供火山灰反应需要的c a ( o h ) ：，而火山灰反应则为 水泥水化反应提供较多的水化产物，促进水泥的水化。 火山灰水化产物c s h 凝胶具有良好的水稳性，这些反应产物中主要产物水化 硅酸钙( 3 c a o s i 0 2 n i t ：o ) 呈现三种凝胶形态，三种形态最终都会转化为同一 种凝胶。这些生成物形成了改性红粘土的早期强度。 粉煤灰的火山灰反应过程主要为：粉煤灰微珠表面先溶解，反应生成物沉淀 在颗粒的表面上，而后钙离子继续向粉煤灰颗粒芯部扩散，在粉煤灰微珠周围形 成的水化产物和微珠颗粒之间形成一层水解层。钙离子继续通过水解层，不断侵 蚀微珠表面，而水化产物则不断填实水解层。这一反应进行速度比较慢，所以在 水化初期水解层填实程度不高、结构疏松，火山灰反应对强度贡献不大。随着火 山灰反应的不断进行，颗粒的微珠水化反应深入到内部，水解层的填实程度提高， 由c s h 凝胶和c a ( 0 h ) ：沉淀共同组成“双膜层，双膜层与土体内颗粒的紧密 结合使粉煤灰对强度的贡献逐渐增大n 8 驯。 2 3 4 界面中水的处理 红粘土颗粒间的水是造成红粘土特殊工程性质的主要因素之一，其原因是胶 体成分多是红粘土主要特点之一，土体中含水量的变化又影响了游离氧化物( 氧 化铁) 形态的改变，进而影响结构连结力。因此要从微观结构上改变红粘土的工 程性质，就需要解决好红粘土孔隙中水的问题。具体处理方法是使普通红粘土中 液态的自由水转化为相对稳定且强度更高的固态物：钙矾石晶体。钙矾石晶体的 生成还会直接对结构强度产生影响，因此在降低红粘土含水量的同时钙矾石晶体 还会填充自由水留下的孔隙，减弱红粘土的深渊状结构特点。 钙矾石的生成以火山灰反应为前提条件，在有石膏( 3 c a s o 。2 h ：o ) 存在 第二章改性红粘土的微观结构分析 的情况下，火山灰反应生成产物中的水化铝酸钙( 3 c a o a 1 2 0 3 n h z 0 ) ，会继续 与磷石膏中的主要成分二水硫酸钙( c a s 0 4 2 h ：0 ) 进一步反应，生成三硫型水化铝 酸钙( 3 c a o a i 。0 3 - 3 c a s o , - 3 2 h ：o ) 即钙矾石：3 c a o - a l ：0 3 nh 2 0 + 3 c a s 0 4 。2 h 2 ( h ( 2 6 一n ) h ：o - * 3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 。0 。由于钙矾石处于亚稳态，在水化铝酸钙存在 下，继续与水化铝酸钙反应，生成柱状单硫型水化铝酸钙： ( 3 c a o a 1 2 0 3 c a s o , 1 2 h ：0 ) ，最终达到稳定状态。钙矾石是六边形截面的针( 柱) 状晶体，可以填充土体内孔隙；随着反应深入，钙矾石不断生长形成空间结构， 将土体内颗粒连接在一起。改性红粘土试样养护7 天后( 图2 - 6 d ) ，在电子显微 放大的照片上，可明显看到成小堆分散生长的针状钙矾石晶体，这些针状钙矾石 晶体的形成显然加强粘土颗粒之间的联结，增强了红粘土路用复合材料结构的强 度。这种连结和c s h 凝胶体系“加固 了土体结构，是改性红粘土具有较高早期 强度的原因之一。 但是粉煤灰、粒化矿渣中成分多数是球形微粒、玻璃体的形式存在，因此结 构比较稳定、表面相当致密、活性不高，在水泥水化后生成的c a ( o h ) 。很难对 粉煤灰特别是矿渣的玻璃微珠表面进行溶解作用，矿渣中的二氧化硅( s i o ：) 和 氧化铝( a 1 2 0 3 ) 参加反应的能力就很弱，所以火山灰反应生成的凝胶产物也就较 少，进而限制了钙矾石晶体进大量生成。为了解决这一问题，需要加入碱性激发 剂来激发二氧化硅( s i 0 2 ) 和氧化铝( a l ：0 3 ) 的活性以利于火山灰反应的进行和钙 矾石的生成。 图2 - 6 为改性红粘土钙矾石晶体的电镜图。晶体发育生长茂盛，生长完全， 在颗粒间以针( 柱) 状结构充填，当它密集连生和交叉结合在一起时，就构成为一 个晶体骨架，与c s h 凝胶和钙矾石晶体交织在一起形成具有三维空间结晶网架的 结构。此种结构有别于土的松散凝聚结构，而能赋予改性红粘土较好的强度，因 此，随着掺料的水化反应，土体中形成一牢固的对土起增强作用的结晶网架结构。 改性红粘土中掺料水化早期即能生成钙矾石，能提高早期强度。随钙矾石针状晶 体的生长和伸展，能插入土团粒的缝隙中，起着一种“撤型加筋”的增强作用。 钙矾石的针( 柱) 状晶体结构能够填充红粘土中孔隙( 图2 6 c ) ，甚至插入红 粘土颗粒内部，形成密集交叉的网状结构。它还能与c s h 凝胶一起形成空间晶体 骨架结构，这不同于普通红粘土中的松散凝聚结构，具有较好的密实度、强度和 1 2 = 敷性红枯十的微观结构丹* 水稳性。所咀钙矾石的生成既解决了水的问题，又能对改性红枯土强度作出贡献。 图2 - 6 ( d ) 是7 天养护掺量9 的改性红粘土，图中看到的是生长中的钙 矾石晶体。图2 6 ( a ) 是6 0 天养护掺量1 3 玫性红粘土，图中靶标所指物质 能谱图为图2 - - 6 ( b ) 。从c a 、s 的高含量可以知道，这一柱状物为钙矾石晶体， 说明由于碱性激发剂的作用促进了土体中钙矾石晶体的大量生成。 朦翻 图2 - 6 不同掺量和养护期改性红粘土图 a 掺量1 3 6 0 天养护5um 图 c 掺量1 3 6 0 天养护1 0ur l 图 2 3 5 强度激发机理 掺量1 3 6 0 天养护能谱图 掺量9 7 天养护5pm 圈 普通红粘能谱分析如图2 - - 7 所示，仅硅、铝元素本身就分别占总质量的 1 53 6 和1 32 0 ，如果用其主要化合物二氧化硅( s i o ，) 和氧化铝( a i 。0 j 考虑 则所：比重巫高，它们卅样也是粉煤扶等材料火山扶系州反应材料的主要参加物 第二章改性n 牯的微观结构升析 质。因为硅、铝大量存在，普通红粘土颗粒表面呈“玻璃状”( 图2 8 a 、b ) 且 较为光滑，造成颗粒间连结力较低，也是土体强度低的又一个原因。改性材料如 果能处理好红粘土内和颗粒问的二氧化硅 ( s i o ：) 和氧化铝( l ：吼) ，则有以下两个作 用：首先让火山灰反应能够就地取材，提高 c s h 凝胶和钙矾石生成：其次破坏红粘土颗 粒的表面“玻璃状”结构改善大中心质问界 面摩擦力，打开红粘土颗粒，让红粘土颗粒 本身发生变化，从提高改性红粘土工程性 质。 翮隰 掺料中的矿渣与水接触后首先会在颗粒表面生成一种含s i o ：的非常薄的凝 胶膜，这种膜会阻止水的通过，所以反应很快停止进行。但有强碱存在时颗粒 表面这种凝胶膜会变租，无法再阻止水的进入，促使矿渣的火山扶反应继续进行。 强碱的另一个作用是通过断丌化学键激发二氧化硅和二氧化铝的活性。二 氧化硅( s i o , ) 和氧化铝( a l 。魄) 性质较稳定，化学键结合力强，活性较低。要激 发其活性就要想办法断丌其化学键。在红粘土中加入的强碱性材料，可以使硅一 氧键破坏以至断裂“1 ：兰s i0 蚓s in a o h s i o l l + n a o - s i 兰。化学键断丌的同 时提高液相p h 值：h 。s i 正=n h + h ，s i o ；( n 4 ) ，促进水泥水化产物c a ( o h ) ： 与这些活性二氧化硅( s i o d 和氧化铝( a 1 ：0 ，) 反应使得红粘土颗粒“光滑”的 表面变粗糙( 图2 8 c ) 。 随着p h 值提高，液相中氢离子浓度降低，甲衡向生成硅酸根离子的方向移 动，从而使早期火山扶系列水化产物的生成量增加，强度提高。由强碱的作用， 造成矿渣网状结构内部形成空穴，并能比较强烈地与活性1 年| 离子互相作用促进 了矿渣的分散和溶解，另一方面，从化学的角度束看，水泥水化后的产物c a ( o h ) ： 就能与分解后的矿淹中的活性s i 0 ，和活性a i ，0 化台，生成水化硅酸钙和水化铝 酸钙等：s0 。+ m c a ( o h ) ：+ a q _ mc a o s i m a q ，a i ：0 一+ m 。c a ( o h ) - + a q m ? c a o a l ：0 a q 。 问时，溶液中c e t 离子浓度的增加，又造成了对上述水化硅酸钙和水化铝 酸钙的过饱和度有利于这些水化物的成枝和生长，于是“掺料水化后，县肯 第二章改性红粘土的微观结构分析 定的碱性环境，使矿渣活性较为充分地发挥出来，得到较高的胶凝强度。这是因 为：一方面有碱性环境，促使矿渣分散、溶解，形成水化硅酸钙和水化铝酸钙的 条件，另一方面在c a ( o h ) ：存在的条件下，易生成水化硫铝酸钙。在形成这种 水化产物时，较多地消耗了溶液中的铝离子，因此反过来又加速了矿渣的水化过 程。上述两个方面的作用互相促进，使矿渣的潜在活性能够得到比较充分的激发， 提高了改性红粘土的胶凝强度。硅酸凝胶的生成早在双组份激发剂溶解于水中时 即已开始，其水解反应为：n a ：0 n s i o 。+ ( 2 n + 1 ) h 2 0 - 2 n a o h + n s i ( o h ) 4 随着反应的不断进行，混合液的碱度便不断下降，平衡继续右移。钠的作用 在于n 1 ： ( a ) 由于混合液中n a 。0 含量的减少，可以防止硅酸溶胶重新被碱胶溶； ( b ) 破坏硅酸溶液的稳定条件，使其随混合液中的碱度下降而不断从溶液 中析出和凝聚，从而使反应不断进行。 总的化学反应式可写成：2 n a 。0 n s i 0 2 + n a 2 s i f e + 2 ( 2 n + 1 ) h ：0 6 n a f + 2 s i ( 0 h ) 。， 反应析出的一部分硅酸凝胶与n a f 生成络合物：s i ( 0 h ) ：+ n a f s i 0 ：, n a f4 - i ：o + h ：0 。 面层的一部分水玻璃与空气中的二氧化碳反应析出硅酸凝胶，硅酸凝胶的单个粒 子是不稳定的，要逐步通过水分子的氢键而引起硅酸凝胶的缩合。最后趋向生成 如下的体型结构：s i - - o - 一- s i 0 _ 一- s i 和s i 0 卜s i 伊一- s i 碱性激发剂还可以与掺料中的石灰反应，在生成胶结物质填充土体孔隙，同 时还会生成一定数量的n a o h 。由于o h 是强碱，能以分子扩散形式进入矿渣和粉 煤灰以及红粘土本身固有的的硅、铝玻璃体及活性材料内部，进一步提高其参加 反应的活性，并同时提高液相介质的p h 值，使早期火山灰反应系列凝胶产物产量 提高，促进了钙矾石的生成，而这些物质的生成也同时提高了改性红粘土的强度。 图2 7 普通红粘土能谱图 ( a ) ( b ) 图2 8 改性红粘土和普通红粘土电镜图 a 普通红粘土1 0um 图b 普通红粘土5 um 图 c 普通红粘土l oum 图d 普通红粘土5 um 图 2 36 强度可设计性 由以上分析可知，在原红粘土只有一层太中心质的基础上，增加了粉煤灰、 磨细矿渣等形成次中心质，硅扶、胶凝材料、聚合物等形成微中心质，使改性红 粘土中心质层次由一个变为三个。同时通过腐蚀红粘土颗粒表面、固化红粘土孔 隙中自由水，改变了三层中心质内各介质问界面帽，提高颗粒f | l j 连结力和界面摩 擦力。由于改性红粘土宏观力学性质是其微观结构的体现，所以通过以上手段对 土体微观结构的调节柬设计改性 i 粘卜强度，这种多元控制手段体现出与其他处 理方法的根本的区别。 第三章材料的微观损伤蠕变理论及m a t l a b 的分析方法 第三章材料的微观损伤蠕变理论及m a t l a b 的分析方法 土体损伤力学模型i i 前主要有复合体模型、堆砌体模型和土体统一体模型。 引用文献h 蝴鹋7 2 删分别介绍如下。 3 1 复合体模型 从开始加载到最后破坏，土体的微观结构将经历很大的变化。如果把初始 状态的原状土作为一种材料，完全破坏后的土体作为另一种材料，则变形过程中 的土体可以看作原状土和损伤土两种材料的复合体，二者共同承担外荷载。该模 型能较好的反应结构破损的过程，但不能模拟三轴试验中低围压下的剪胀现象。 国内沈珠江将损伤力学应用于土体，认为天然结构性土的逐渐破损，是从原状土 逐渐向扰动土的变化过程。 沈珠江阳1 首先提出了胶结杆元件的概念，并在此基础上建立了双弹簧模型。 这一模型把原状土和损伤土各自看作一个弹簧，共同承担外荷载，即 p 一0 一q ) q + q 慨 ( 3 一1 ) 式中q 为损伤变量； q ， 吼) 别为原状土和损伤土内的应力，其增量形 式为 仃 一0 一q ) 【p r 】f + q 【见】f 卜( q 一 吼) ) q ( 3 2 ) 式中【b l ，【见】f 分别是原状土和损伤土的切线刚度矩阵，如果假定q 是应 变的函数，则上式可简写为： = 【d 】删 式中 ( 3 - 3 ) 【d 】卅= 0 一q ) 【皿】，+ q i d a ，一( q 卜。【 ) 詈 ( 3 4 ) 可以成为弹塑性损伤矩阵。损伤演化函数为关于体积应变和剪切应变的指 数函数或双曲线函数的经验公式，分别是 1 7 第三章材料的微观损伤蠕变理论及m a t l a b 的分析方法 q = 1 - e x p ( - a f ，- b e ，) q 。! 垒生一 l + a e ，+ 6 占， 式中a 和b 为两个参数；s ，一_ + 占2 + 岛；一气- - 3 。 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 以上模型适用于有胶结强度的土体，此时原状土可以按理想弹性材料考虑， 损伤土可以采用任一种适用于重塑土的本构模型，例如剑桥模型或 d u n c a n - z h a n g 型模型；也可应用于易破碎颗粒组成的砂土或堆石体，此时原状 土可以认为是一种高驴角的材料，损伤土则是驴角较小的细颗粒材料，因此，加 权平均得出的内摩擦角将随缈增大而减小。 f r a n t z i s k o n i s 和d e s a i m l 认为损伤材料由损伤和未损伤两部分组成，损伤 由剪应力引起，损伤演化曲线形状近似于能量耗散曲线。在小应力水平时，损伤 不明显，此时损伤变量q 的方程为 q ；瓯一吼e x p ( - 菇) e ；is ；一亏1 & 6 4 ( 3 - 7 ) ! d 免；蟛蟛) 2 式中，q 。，b ，r 为材料的损伤参数。 施建勇璐妇等在复合体基础上提出了一个本构模型，在试验基础上建立了损 伤函数，通过压缩试验和无侧限抗压试验分别确定了压缩损伤演化方程和剪切损 伤演化方程。 ， 压缩损伤演化方程为 0 p ( 1 + 2 k o ) ( a p o + 6 ) ( 3 - 8 ) 式中p 0 为地基土中某点的自重应力( k p a ) ，p 为土体中某点的球应力；a ， b 为p s p 0 直线的关系系数，其中p s 为重塑土和原状土具有相同压缩系数时的 荷载值；q 为损伤比；k 为静止侧压力系数，k 。= 1 一s i n 驴，是土的内摩擦角。 1 8 第三章材料的微观损伤蠕变理论及m 触l a b 的分析方法 剪切损伤方程： q 。呈釜二望1 一g 一，( 1 l l h ) 。1 - e - l ( s 一l ，) 吼一q 。 ( 3 9 ) 式中，为损伤演化参数。取达到峰值的轴向应变为z o ，峰值后任一应变气 对应的强度值为q ，峰值强度为吼，重塑土抗压强度为g 乙。 胡黎明、濮家骝嘲1 根据土与结构物接触面直剪试验，在复合体的理论基础 上建立了粗糙接触面损伤力学本构模型，反映接触面剪切变形过程中的应变软化 和剪胀现象。假设损伤演化过程只与接触面剪切应变有关，设损伤状态变量为 q = 1 一e x “一口l 甜) ( 3 - l o ) 式中a ，b 为与粗糙度线性相关的参数，与正应力无关；s ，为接触面塑性 剪切应变。 3 2 堆砌体模型 结构性粘土的三轴试验表明，低围压下的试样有明显的应变软化现象，并 伴随一定的