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纳米矿粉水泥土固化机理及损伤特性研究 摘要 水泥土工程应用广泛，然而工程实践表明，水泥土强度不够高、形成的复合地基后期变 形较大等问题制约了水泥土的进一步应用，选择适宜的外掺剂改善水泥土性能是解决这些问 题的重要途径。随着纳米科技的发展以及纳米材料在混凝土等水泥基材料中的应用研究，在 水泥土中掺加性能优异的纳米级材料将成为一种新的尝试。本文在纳米矿粉水泥土力学特性 试验研究的基础上，探讨了纳米矿粉水泥土固化机理，为纳米材料进一步应用于水泥土提供 微观层次上的依据。 在总结纳米材料在水泥基材料中的应用现状以及应用前景的基础上，本文首先分析了三 种纳米矿粉的微结构特性及其与普通矿粉的微结构特性异同；通过水泥士室内无侧限抗压强 度试验，探讨了纳米矿粉掺入比和龄期对水泥土强度的影响规律。试验结果表明，适宜的纳 米硅粉掺入比下，各个龄期的水泥土强度显著提高；纳米铝粉对水泥土的增强效果不明显： 直至9 0 d 时，纳米钛粉仍然降低水泥土强度。根据试验结果，分析了纳米硅粉水泥土的变形 特性，并对其应力应变曲线进行了二次抛物线拟台分析，推导了曲线上升段的表达式。 结合水泥石强度试验和x r d 试验，从火山灰效应、填充效应、水泥水化促进作用和微 结构改善作用等方面探讨了三种纳米矿粉在水泥水化硬化过程中的作用机理：从这四个方面 出发，对比分析了纳米硅粉和普通硅粉作用机理的异同点，分析表明，纳米硅粉的优异特性 主要表现为颗粒细度、晶体结构、表面羟基等特性。 设计了三组室内试验，分别探讨了纳米硅粉对粘性土物理力学性能的影响：结合试验结 果和土质学基本理论，提出从水分子吸附作用、胶结作用、填充作用三个方面探讨纳米硅粉 与粘性土之间的作用机理。 结合s e m 试验，探讨了纳米硅粉水泥土的微结构特点。在研究水泥浆一纳米硅粉、纳 米硅粉一粘性土、水泥浆一粘性相互作用的基础上，将纳米硅粉水泥土的固化机理总结为： 水泥水化物的胶结作用、粘土颗粒中的离子交换效应和“二次反应”、纳米硅粉的火山灰效应、 纳米硅粉的填充效应、纳米硅粉的胶结作用。根据固化机理，解释了水泥土和水泥石强度试 验中的一些现象和规律，分析了纳米硅粉改性水泥土的适用性。 最后，通过室内试验分析了纳米硅粉水泥土的细观损伤机制及其损伤特性，建立了无侧 限轴向压缩条件下的弹塑性损伤模型，分折了损伤演化规律。研究表明，纳米硅粉水泥土内 部存在明显的损伤现象掺加纳米硅粉，水泥土损伤特性发生改变：与试验曲线的对比结果 表明，本文采用的损伤变量和损伤模型能够较真实地反映纳米硅粉水泥土的损伤特性。 关键词：水泥土：纳米矿粉：强度试验：微结构：火山灰效应：固化机理；损伤特性 s t u d y o nr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s ma n dd a m a g e p e r f o r m a n c e o fc e m e n t e ds o i ls t a b i l i z e dw i t hn a n o m e t e r m a t e r i a l a b s t r a c t c e m e n t e ds o i l h a sb e e n e x t e n s i v e l y u s e dt o g r o u n dt r e a t m e n t ，h o w e v e r , e n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e ss u g g e s tt h a tl o w s t r e n g t ha n dl a r g ed e f o r m a t i o nh a sr e s t r i c t e di t s f u r t h e ra p p l i c a t i o ni n t h ee n g i n e e r i n g t oi m p r o v ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s ，m a n ya d d i t i v e sh a v eb e e na d d e d t oc e m e n t e d s o i l w i t ht h ep r o g r e s so fn a n o m e t e rt e c h n o l o g y ，n a 】b o m e t e rm a t e r i a l sh a v eb e e na p p l i e dt om o d i f y c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s ，s o i ti sat r a i lt oi n t r o d u c en a n o m e t e rm a t e r i a l w i t h p a r t i c u l a r c h a r a c t e r i s t i c st oc e m e n t e ds o i l an e w k i n do fa d d i t i v e i nt h ep a p e r t h r e ek i n d so fn e n o m e t e r m a t e r i a l sa r eu s e df u rt h ec e m e n t e ds o i l b a s e do nl a b o r a t o r yt e s t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h e p a p e rd i s c u s s e dr e i n f o r c e m e n t m e c h a n i s mo f t h ec e m e n t e ds o i l ss t a b i l i z e dt h en a n o m e t e rm a t e r i a l s ， w h i c hw i l l p r o v i d er e s e a r c h f o u n d a t i o nf 酐f u r t h e ra p p l i c a t i o no ft h en a n o m e t e rm a t e r i a l si n c e m e n t e ds o i l b a s e do na n a l y s i so nr e s e a r c he x i s t i n gs t a t u sa n da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do fn a n o m a t e r m a t e r i a l si nc e m e n t e db a s e dm a t e r i a l ，t h ep a p e rf i r s t l yd i s c u s s e st h em i c r o s t r u c t u r ep r o p e r t i e so f t h e t h r e en a n o m e t e rm a t e r i a l sa n dc o m p a r e st h e mw i t ht h ec o r r e s p o n d i n go r d i n a r yc r y s t a l s b y u n c o n f i n i n gc o m p r e s s i o ns t r e n g t ht e s t so f t h e c e m e n t e ds o i ls t a b i l i z e dw i t ht h en a n o m e t e rm a t e r i a l s ， i n f l u e n c i n g r u l e so fn a n o m e t e rm a t e r i a la d d i t i o nr a t i oa n dc u r i n gp e r i o do nt h es t r e n g t ha r e i n d i v i d u a l l ya n a l y z e d t h e r e s u l t ss u g g e s tt h a tn e n o m e t e rs i l i c af u m e ( n a n o m e t e rs i o j ) c a ng r e a t l y i m p r o v et h es t r e n g t h o fc e m e n t e ds o i la tv a r i o u sc u r i n gp e r i o d ，n a n o m e t e ra l u m i n i u mf u m e ( n a n o m e t e ra 1 2 0 3 ) c a nn o ti m p r o v et h es t r e n g t h ，a n dn a n o m e t e rt i t a n i u mf u m e ( n a n o m e t e rt i 0 2 ) s t i l lr e d u c et h es t r e n g t hu n t i lc u r i n gp e r i o do f9 0 d a c c o r d i n gt ot e s t i n gr e s u l t s ，t h es t r e s s 。s t r a i n c u r v eo f t h ec e m e n t e ds o i ls t a b i l i z e dt h en a n o m e t e rs i l i c af u m ei sf i t t e du s i n gaq u a d r a t i cp a r a b o l i c c l l l w ee n d e x p r e s s i o ne q u a t i o n f o ru p w a r ds e c t o ro f t h es t r e s s - s t r a i nc u r v ei sg i v e n t h r o u g hs t r e n g t h t e s t sa n dx r dt e s t sf o rc e m e n t e d s t o n e ，t h ep a p e rp r e s e n t s a c t i o n m e c h a n i s mo ft h en a n o m e t e rm a t e r i a l si nt h ec e m e n th y d r a t i o na n dh a r d e n i n gp r o c e s s ：p o z z o l a n i c e f f e c t ，f i l l i n ge f f e c t , a c c e l e r a t i o n a c t i o nf o rt h ec e m e n t h y d r a t i o n ，a n di m p r o v i n ga c t i o n f u r m i c r o s t r u e t u r e f r o mt h ef o u ra s p e c t s ，t h em o d i f i e dm e c h a n i s mo ft h en a n o m e t e rs i l i c af u m ea n d o r d i n a r ys i l i c af u m ei nc e m e n tp a s t ea r ec o m p a r e d t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t t h ep a r t i c u l a r p r o p e r t i e s o ft h en a n o m e t e rs i l i c af u m ei n c l u d ep a r t i c l ef i n e n e s s ，c r y s t a ls t r u c t u r ea n ds u r f a c e h y d r o x y , e t c as e r i a lo fl a b o r a t o r yt e s t sa r ep e r f o r m e dt os t u d yp h y s i c a la n dm e c h a n i cp r o p e r t i e so ft h e c l a yw i t ht h ea d d i t i o no f t h en a n o m e t e rs i l i c af u m e b a s e do nt e s t i n gr e s u l t sa n ds o i lt h e o r y , t h e m o d i f i e dm e c h a n i s mo ft h en a n o m e t e rs i l i c af u m ei nt h ec l a yi s p r o p o s e d ：w a t e rm o l e c u l e a d s o r p t i o na c t i o n ，c e m e n t a t i o na c t i o na n df i l l i n ga c t i o n ， c o m b i n i n g t h es e m t e s t s ，t h em i c r o s t r u c t u r ef e a t u r e so ft h ec e m e n t e ds o l lo fn a n o m e t e rs i l i c a f l i r t ea r cc o n c l u d e d o nt h eb a s i so fa n a l y s i so nt h ep a i r w i s ea c t i o no fc e m e n tp a s t e ，n a n o m e t e r s i l i c af u m ea n dc l a y , t h ep a p e rp r o p o s e st h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo ft h ec e m e n t e ds o i l s t a b i l i z e dw i t hn a n o m e t e rs i l i c af u m e t h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mi n c l u d e sc e m e n t a t i o na c t i o n o fc e m e n th y d r a t e ，i o n i ce x c h a n g ea n dq u a d r a t er e a c t i o no f c l a yp a r t i c l e ，p o z z o l a n i ce f f e c t ，f i l l i n g e f f e c ta n dc e m e n t a t i o na c t i o no fn a n o m e t e rs i l i c af u m e a c c o r d i n gt ot h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m ， s o m ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n aa n dr u l e si nt h es t r e n g t ht e s t so fc e m e n t e ds o i la n dc e m e n t e ds t o n e o r ee x p l a i n e d t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h ea p p l i c a b i l i 母o ft h eo r n o m e t e rs i l i c af u m ei nt h e c e m e n t e ds o l ia sa na d d i t i v e b a s e do nt h ea n a l y s i so f m i c r o - d a m a g em e c h a n i s ma n d d a m a g ep e r f o r m a n c eo f t h ec e m e n t e d s o i ls t a b i l i z e dw i t hn a n o m a t e rs i l i c af u m e a n e l a s t o p l a s t i c i t yd a m a g em o d e lu n d e ru n i a x i a l c o m p r e s s i o n c o n d i t i o ni se s t a b l i s h e d d a m a g ee v o l u t i o nl a w sa r ea n a l y z e db yt h el o a d - u n l o a d t e s t s a n a l y s i sr e s u l t ss h o w t h a to b v i o u sd a m a g eo c c b r si nt h ei n n e ro ft h ec e m e n t e ds o i ls t a b i l i z e dw i t h n a n o m e t e rs i l i c af i l m ea n dt h ea d d e dn a n o m e t e rs i l i c af u m ec a ni m p r o v et h ed a m a g ep e r f o r m a n c e o ft h ec e m e n t e ds o i l c o m p a r i s o no fc a l c u l a t e ds t r e s s s t r a i nc u r v ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lc u r v e s s u g g e s t sd a m a g ev a r i a b l e a n dd a m a g em o d e lp r o p o s e di nt h e p a p e rc a nf u l l y r e f l e c t d a m a g e p e r f o r m a n c eo f t h e c e m e n t e ds o l is t a b i l i z e dw i t hn a n o m e t e rs i l i c af u m e k e yw o r d ：c e m e n t e ds o i l ；n a n o m e t e rm a t e r i a l ；s t r e n g t ht e s t ；p o z z o l a n i ce f f e c t ；m i c r o s t r u c t u r e ； r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m ；d a m a g ep e r f o r m a n c e 浙江大学博十学位论文纳米矿粉水泥土固化机理及损伤特性研究王文军2 0 0 4 年5 月 符号与说明 口应力，k p a f 应变， 口第一主应力，k p a o - ，第二主应力，k p a 口，第三主应力，k p a o - 。峰值应力，m p a 口，抗压强度，k p a 口。抗拉强度，k p a 晶第一主应变， 岛第二主应变， ，第三主应变， 。体积应变， 岛破坏应变， “峰值应变。 弹性应变， p 塑性应变， 。峰值抗压强度一半对应的应变， 只峰值荷载，n 只先期固结压力，k p a p 密度，g ，c m 3 y 重度k n t m 3 w 含水量， p 孔隙比 d 。土粒相对密度 c 粘聚力，k p a p 内摩擦角，。 d 。压缩系数，m p a _ 1 w 液限， w 。塑限， ，。塑性指数 ，液性指数 h 干重度，k n m 3 口。水泥土中的纳米硅粉掺入比， 口。水泥土中的纳米铝粉掺入比， 口。，水泥土中的纳米钛粉掺入比， i i o ，水泥石中的纳米硅粉掺入比， 口。，水泥石中的纳米铝粉掺入比， a 。：水泥石中的纳米钛粉掺入比， r 龄期，d w c 水灰比 q 。无侧限抗压强度，m p a q 。7 7 d 无侧限抗压强度，m p a q 。2 8 2 8 d 无侧限抗压强度，m p a g 。, 6 0 6 0 d 无侧限抗压强度t m p a q 。o 普通水泥土无侧限抗压强度h i p a e 5 0 平均变形模量，m p a e 弹性模量，m p a 玩无损材料弹性模量，m p a 有效弹性模量，m p a e 卸荷模量，m p a e 。割线模量，m p a 足体积模量，m p a g 剪切模量，m p a g 有效剪切模量，m p a d ，反损伤变量 d e 与三对应的损伤变量 d 6 与g 对应的损伤变量 o - c a u c h y 应力张量 子有效应力张量 知损伤应变闽值， c r d 损伤应力阈值m p a d ：弹性比例极限应力，m p a 5 ：弹性比例极限应变， m 损伤变量系数 c 量力环率定系数，n 1 0 0 1 m m h 。试样固结后的高度，m m a 。校正后的试样断面积c m 2 a h 剪切过程中试样高度变化，m m 测力计读数，0 0 1 m m 丑拟合系数 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 水泥土具有水硬、高强、低压缩性、低渗透性等优越特性，因此在地基处理领域得到了 广泛应用。二十多年来，深层搅拌法、高压喷射注浆法等地基加固方法在地基处理领域发展 迅速。除了应用于地基处理- 水泥土还应用于以下几个方面( w a y n es a d a s k a ，1 9 9 4 ；恩- s 亚 当斯克，1 9 9 2 ) 。 ( 1 ) 基坑围护：水泥土搅拌桩作为一种基坑支护型式已被广泛应用。为了防止基坑开挖导致 周围道路、建筑物的变形、开裂，水泥搜用来加固墙后体，增加基坑 ! | 勺稳定性及保护 周围建筑物和构筑物。 ( 2 ) 路面基层材料：在旧路扩建、软土地区道路建设等工程中广泛应用。例如水泥土可以作 为沥青混凝土路面以及各种停车场、飞机场路面下的基层材料。还可用于报废的柔性路 面修补，不仅提高了路基的强度而且不必运走原有基层废料，能省掉大量昂贵的新路基 材料。 ( 3 ) 斜坡加固：大量的试验和工程实践表明 公路斜坡保护中应用广泛。 ( 4 ) 防渗衬砌材料：利用水泥土的低渗透性 床、水塘和垃圾填埋场防渗。 水泥土可以代替抛石修筑护坡在铁路、高速 可用于防渗工程，如堤防加固，废水沟渠，河 ( 5 ) 基础稳定：水泥土还可做为大体积回填材料，用于提高基础的强度，并为大型结构提供 均匀的支承。有时也可以用来替代大体积混凝土，降低工程造价。 ( 6 ) 预制建筑材料：如用于土木工程、水利工程等领域的各种预制管件、砌块等。 可以看出，水泥土已经取得了广泛的应用，有着诱人的应用前景。然而，工程实践表明， 如何提高水泥土的工程特性，增强水泥土的耐久性等是当前水泥土推广应用中一个至关重要 的问题。添加外掺剂是改善水泥土性能的一个重要方法。水泥的强度主要来自水泥水化物 的胶结作用及其与土中活性物质的离子交换吸附作用，水泥加固软土时，为力求更好的加固 效果，常在水泥土中掺入适宜的外掺剂。外掺荆具有激发、催化和调节水泥水化物的化学反 应速度、程度及其成分的功效，并且可以改良、改善土料的物理化学性质，使其朝着有利于 提高水泥士性能的方向发展。目前，国内应用于水泥搅拌法的水泥掺入比一般为7 2 5 ， 水泥土无侧限抗压强度一般为1 5 2 0 m p a ，国际上的水泥搅拌法工程，以日本为例，水泥掺 入比仅为8 1 0 时水泥土强度即能达到2 5 m p a 以上，其主要差距就在于水泥土的外掺剂。 国内水泥土外掺剂研究方面，已经取得了不少成果。但就改性效果来看，与其他发达国家如 日本的差距还很大。因此，针对不同的土质条件，寻求适宜的外掺剂，并探讨外掺剂在水泥 土中的微观作用机理仍然具有重要意义。 常见的普通矿粉硅粉等已经开始应用于配制高性能混凝土，取得了一定的研究成 果。硅粉的火山灰活性是影响其作用效果的最重要的因素。火山灰活性越高，改性效果越 好。s l l 等( 1 9 8 5 ) 通过试验发现，掺入普通硅酸盐水泥中的硅粉在水化9 0 d 时才被消耗 浙江大学博扛学位论文纳米矿粉水泥土固化机理及损伤特性研究 王义军2 0 0 4 年5 月 掉7 5 ；m i t c h e l l 等( 1 9 9 8 ) 将硅粉放入饱和的c a ( o h ) z 溶液中，直到1 2 0 d 才有明显的水 化硅酸钙凝胶出现，由此可见硅粉的火山灰活性仍然不够。因此，掺加颗粒更细，比表面 积更大，活性更高的纳米级颗粒材料将成为一种新的尝试。 目前纳米s i 0 2 、纳米a 1 2 0 3 、纳米t i 0 2 等纳米颗粒材料己实现工业化生产，这为其大 规模研究与应用提供了先决条件。纳米s i 0 2 改性混凝土等水泥基材料的研究已经相继开展。 叶青，陈荣升等( 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ) 研究发现，纳米s i 0 2 的活性远大于硅粉，在水泥浆中掺加 活性更高的纳米s i 0 2 ，水泥水化生成的大量c a ( o h ) 2 ( 约占水泥总量的2 0 2 5 ) 可以在纳 米颗粒表面富集并反应生成硅酸钙凝胶( 简称c 。s h ) ，起到降低c a ( o h ) 2 含量和细化 c a ( o h ) 2 晶体的作用，从而改善水泥石的微观结构，提高水泥石强度。王冲等( 2 0 0 3 ) 研究 了纳米s 1 0 2 应用于水泥基材料的可行性和应用技术，研究认为，纳米s i 0 2 可以在水泥基材 料改性中发挥作用同时，利用纳米s i 0 2 配制了强度达1 5 0 - 2 0 0 m p a 的超高强混凝土。季 韬等( 2 0 0 3 ) 通过试验表明掺加o 5 纳米s i 0 2 可提高粉煤灰混凝土7 d 抗压强度9 ，抗折 强度1 4 ；提高粉煤灰混凝土2 8 d 抗压强度4 ，抗折强度8 。 熊厚金等( 2 0 0 1 ) 指出，通过纳米技术改变灌浆材料的渗透性和聚集态，使岩土获得优 异的工程特性，这是十分有意义的课题。因此，采用纳米材料一水泥浆加固软土将是个暂 新的应用研究课题，在水泥土中，掺加的纳米颗粒材料充分发挥自身的优异特性，与水泥土 各组分之间充分作用，可以获得性能更好的水泥土。 王立峰( 2 0 0 3 ) 通过试验研究发现，水泥土中加入纳米硅基氧化物能够显著改善水泥土 的强度特性：7 d 龄期下，纳米硅水泥土无侧限抗压强度增幅相对较小；6 0 d ，9 0 d 龄期时，在 适宜的纳米硅掺量下，水泥土强度成倍增长。李刚( 2 0 0 3 ) 通过室内试验研究表明，掺加纳 米a 1 2 0 3 各个龄期下的水泥土无侧限抗压强度随着掺入比先增后减，而掺加纳米t i 0 2 的水泥 土无侧限抗压强度反而下降。由此可见，不同的纳米颗粒材料对水泥土的改性效果不同。以 上研究中均未涉及纳米颗粒材料的作用机理。由于外掺剂的作用机理研究不仅对于解释试验 结果、增加试验结果的可靠性具有重要作用，而且对于外掺剂的合理应用和进一步应用具有 重要意义，因此有必要开展对纳米颗粒材料在水泥土中的微观作用机理研究。 本文结合试验和理论分析，研究三种纳米颗粒材料纳米s i 仉、纳米a 1 2 0 3 和纳米t i 0 2 水泥土的强度、变形特性、损伤特性：探讨纳米s i q 、纳米a 1 2 0 3 和纳米t i 0 2 在水泥土中的 作用机理。本次研究为纳米材料在水泥土中的进一步应用提供微观层次上的依据，进而为纳 米材料广泛应用于土木工程领域提供一个崭新的思路。本文对其他外掺剂在水泥土中的作用 机理研究具有重要的借鉴意义。 1 2 水泥土力学特性研究现状 水泥土的力学特性取决于水混的水化程度和水泥与土颓粒作用的程度，其过程比较复杂。 近年来，随着大量的试验和理论研究，水泥土的力学特性也逐渐被人们认识。 1 2 1 强度特性 无侧跟抗压强度是水泥土最基本、最重要的力学指标，因而对水泥的无侧限抗压强度 2 第一章绪论 研究较多，众多学者对水泥土进行了试验研究，提出了无侧限抗压强度与水泥掺入比、养护 龄期、密实度、土的含水量等指标的经验关系式。 水泥土的无侧限抗压强度随着龄期增加而增加，但并非随水泥掺入比的增加而一直增加， 各种土性对其影响比较大，土性不同，增加的规律不同。黄鹤等( 2 0 0 0 ) 通过试验研究表明， 当水泥掺入比大于1 8 时，水泥土的无侧限抗压强度增加幅度减小，如图1 】所示。 水泥对土体加固效果的好坏与土体的含水量和水泥掺入比密切相关。一股来说，水泥土 的无侧限抗压强度随着含水量的增加而减少。汤怡新( 2 0 0 0 ) 研究认为，相同水泥含量下， 土的含水量越大，则水泥土的抗压强度越低，如图1 2 所示。 1 51 71 92 12 3 2 5 w 图1 - 1 水泥掺入比与水泥土抗压强度的关系 ( 引自黄鹤，2 0 0 0 ) p e 苎 、 倒 氍 鹾 g 20 l5 l0 o5 7 59 01 0 51 2 01 3 51 5 0】6 5 水泥掺量k g m 圈1 2 抗压强度随原料含水量的变化 ( 引自汤怡新，2 0 0 0 ) 刘焕存( 1 9 9 6 ) 通过分析室内1 7 0 个夯实水泥土试样的三轴试验结果，研究了龄期、水 泥掺入比、含水量、干重度和围压等因素对夯实水泥土强度的影响。夯实水泥土强度q 。随水 泥掺量的增大而增大；夯实水泥土强度与干重度不成正比关系，在一定的密实度条件下影响 强度的主要因素是水泥掺量；围压可增加夯实水泥土的极限抗压强度、极限应变和残余强度， 在围压为5 0 k p a 时，水泥土强度比无侧限时平均提高1 7 。 j ，r h u a n g 等( 1 9 9 8 ) 剑各水泥掺入比为o 2 0 、密实度为1 2 1 9 k n t m 3 的水泥土样， 进行了无侧限抗压强度试验、围压达2 0 0 k p a 的排水和不排水三轴剪切试验以及平均有效应力 达6 0 0 k p a 的硒固结试验，着重探讨了水泥掺入比和干重度( ，d ，k n m 3 ) 对水泥土强度特性、 压缩特性、蠕变、固结及刚度参数的影响。抗拉强度试验表明，水泥土抗拉强度( 口，k p a ) 和抗压强度( j 。，k p 硼拘比值口，口。约在o 】一0 3 之间变化，给定的无侧限抗压强度下，口。 随着的增加而减少。随着的增大，水泥土的抗压和抗拉强度增幅减少，即水泥掺, k l l 对 其影响减少。固结试验表明，存在一个受水泥掺入比和h 共同影响的“先期固结压力( 只) ”， 试验得出以下关系式： v = n a l n p l ( 1 - 1 ) k v p 。= 1 8 2 0 c r o 5 3 ( 对于o c r 2 )( 1 2 ) g v p = 日姗， ( 1 - 3 ) 式中，v 为比容：p 为平均有效应力：k ，g 为水泥土的体积模量和剪切模量：n ，五，。，为试 验常数。 0 5 0 5 0 5 0 i i 2 = n - 浙江人学博士学位论文 纳米矿耪水泥土固化机理及损伤特性研究 王文军2 0 0 4 年5 月 1 2 2 应力应变关系 水泥土应力应变关系方面的研究较多。梁仁旺等( 2 0 0 i ) 通过室内无侧限抗压强度试验， 获得了水泥土的应力一应变全过程曲线，认为水泥土的应力一应变全过程曲线大致可以分为4 个阶段。 ( 1 )初始阶段，应力一应变曲线近似为一条直线，随着水泥掺入比的增加，直线段越来越 明显。 ( 2 )塑性上升段，应力逐渐增大并达到峰值： ( 3 )陡降段，即材料的破坏阶段，此段的特点是在应变增加不是很大的情况下，应力迅速 减小： ( 4 )残余强度阶段，试件产生了较大的塑性变形。当试件破坏时，仍存在着残余应力和残 余应变。 水泥土的应力应变曲线受水泥掺入比、龄期、围压等的影响较大。一般来说，随着水泥 掺入比和龄期增加，应力应变曲线初始直线段的斜率越来越大，达到的峰值增大，而且峰值 后的下降段越来越陡。刘焕存( 】9 9 7 ) 对不同龄期、不同含水量、不同水泥掺入比的水泥土 三轴应力应变关系曲线的统计分析表明，应力应变特征为加工软化型，如图1 - 3 所示。 黄鹤( 2 0 0 0 ) 研究认为，随着龄期的增长，水泥土应力一应变曲线的脆性特征越来越明显。 对常规水泥掺入比为1 5 一2 4 的水泥土，应力应变关系可分为加工软化型和加工硬化型， 相应的破坏形式一般为脆性剪切破坏和塑性剪切破坏。随着围压增加，水泥土的破坏状态逐 渐由脆性破坏转为塑性破坏，如图1 - 4 所示。 = 善 = 、 o 采 型 46b 应变f ，( 1 丹；) 图t 3 不同水泥掺量水泥土应力应变关系曲线 ( 引自刘焕存，1 9 9 7 ) 3 2 1 0 0 o 5 l1 522 53 f 图1 - 4 水泥土的应力应变曲线( t = 2 8 d ) ( 引自黄鹤2 0 0 0 ) 在水泥土的本构模型方面，到目前为止，已经开展了弹塑性本构模型、损伤本构模型等 研究。郝巨涛( 1 9 9 1 ) 研究了c c ( 等围压) 路径和c p ( 等平均应力) 路径下水泥土的力学 特性，认为水泥力学特性与超固结土相似。低应力下，应力应变曲线呈软化型，并有剪胀 现象，随着平均应力的提高，转化为硬化型，并在分析屈服面、流动法则和硬化规律基础上 提出了一个塑性模型。 置_ 妥 o k b ) | 第一章绪论 g e n s 和n o v a ( 1 9 9 3 ) 以及l i u 等人( 1 9 9 7 ) 提出了建立水泥土本构模型的一系列基本概 念。y u ( 1 9 9 8 ) 也按连续破坏理论提出了一个模型。k i y o n o b u k a s a m a ( 2 0 0 0 ) 基于破坏状态 概念，引入了一个控制水化效应的内部变量，将水泥土的破坏状态用固化程度、孔隙比和应 力条件来表征，最后提出了一个考虑水泥水化和土性的本构模型。l e r o u e i 和v a u g h a n ( 1 9 9 0 ) 研究认为，人工和天然水泥土的应力应变特性主要依赖于其初始状态、与屈服线相关的位置、 非结构重塑土的临界状态线。同样的概念下，c o o p 和a t k i n s o n ( 1 9 9 3 ) 描述了水泥土的理想 特性，将其应力应变曲线分为如下三类，如图1 5 。 ( a ) 应力路径( b ) 应力一应变关系 图1 - 5 水泥土的理想特性 ( 引自c o o p 等，1 9 9 3 ) 综上所述，可以得出以下几点： ( 1 ) 水泥土已经取得了广泛的工程应用，并且有着广阔的应用前景。因此，探讨水泥土工程 特性仍然是十分有必要的。除了强度特性和应力应变特性，水泥土的工程特性还包括渗 透性、耐久性、动载下的特性等，这方面研究成果相对较少。 ( 2 ) 水泥土的力学特性受土性、水泥掺入比、水化程度、加载速率、温度、主应力方向、围 压、加载速率、密实度等众多因素的影响。今后应该更加系统地研究各因素对水泥土力 学特性的影响，以便提出一个简单合理、便于工程应用的本构模型。 1 3 水泥土固化机理研究现状 1 3 1 水泥土强度增长机理 探讨水泥土的固化机理，对于合理解释水泥土的强度增长规律以及进一步提高水泥土工 程特性具有重要的理论和工程意义。 李文斌( 1 9 9 4 ) ，李俊才( 1 9 9 8 ) 对水泥土强度增长机理进行分析研究后认为，水泥强 度主要来源于四个方面：水泥的凝结硬化、离子吸附交换、碳化作用和火山灰反应。 ( 1 ) 水泥的凝结硬化 水泥与水发生反应后，土颗粒逐渐被水化产生的凝胶物质包裹，进而使得水泥土的强度 开始形成。水泥的凝结硬化是最主要的水泥土强度来源。 ( 2 ) 离子吸附交换 当土粒表面完全被吸附离子吸附后，由于布朗运动，部分被吸附的离子又会解吸下来， 浙江大学博士学位论文纳米矿粉水泥土固化机理及损伤特性研究工文军2 0 0 4 年5 月 吸附空穴由一部分运动的离子来填补，重新达到吸附一解吸平衡。液相中的高价离子较低价 离子更能有效地平衡土粒表面的电荷，发生离子交换吸附。当土、水泥及水充分拌和后，低 价金属发生水化反应，吸附液中出现了低价的k + 与n a + ，这些离子能与c a ( o h ) 2 中的c f + 离 子进行当量吸附交换。 土粒“+ ( ”十c a2 + 土粒c a 2 + 十2 k 州a + 1 c a ”离子吸附于土粒表面上表面上的一部分负电荷得到平衡，吸附层减薄土粒间距离 缩短，引力增加，产生絮凝作用，使得土粒问凝聚力增加。 ( 3 ) 碳化作用 由于溶液中c a ( o h h 结构不稳定，与空气中的c 0 2 接触，溶液中的c a ( o h h 将转变为稳 定的方解石( c a c 0 3 ) 结构，使得土颗粒连结为一体，增加了水泥土强度。 c a ( o h ) 2 十c 0 2 争c a c 0 3 十h 2 0 ( 4 ) 火山灰反应 水泥水化后溶液中有大量的c a ( o h ) 2 ，呈强碱性，而大多数软土中含s i 0 2 及a 12 0 3 ，这些 活性物质在碱液中产生火山灰反应，这种火山灰反应常被称为“硬凝反应”。反应生成的硅酸 钙及铝酸钙逐渐形成胶凝结构与纤维晶体网状结构，将分散的土粒粘结成为一体，形成强度。 反应式如下： s i 0 2十c a ( o h ) 2 十n h 2 0 呻c a o s i 0 2 ( n 十1 ) h 2 0 a 1 2 0 3 十c a ( o h ) 2 十n h 2 0 _ c a o a 1 2 0 3 i 5 ) 要比低碱度c - s - h ( c s s d ( 1 - 1 0 ) 式中，d l 为损伤变量；知为损伤应变闽值；4 、b 为材料参数。 童小东( 1 9 9 8 ) 通过损伤试验探讨了水泥土的损伤机制，依据不可逆热力学和连续介质 损伤力学，推到了水泥土的弹塑性各向异性损伤模型：根据室内试验，建立了无侧限轴向压 缩条件下水泥土的弹塑性损伤模型和相应的损伤演化方程如下： 岛= 睾 s is ： ( 1 - 1 1 ) 铲丽o - 1 警彤喝h 域 浙江大学博士学位论文纳米矿粉水泥土固化机理及损伤特性研究 王文军2 0 0 4 年5 月 d 1 ：1 一e x p - 1 0 2 2 ( 5 1 一；) ， ： ( 1 1 3 ) 式中，口：和：分别为弹性比例极限应力和应变。 杨晓华等( 2 0 0 3 ) 在三轴c u 试验的基础上，推导了水泥黄土的损伤本构模型和损伤演化 方程如下： r， 一 口= e e x p i 一土( 三) ”l ( 1 - 1 4 ) lm 唧j r1 d = 1 一e x p l 一圭( 三) i ( 1 - 1 5 ) l m 5 rl 式中，- 为损伤变量系数，为弹性模量e 和割线模量晶的函数；断为峰值应变。基于水 泥黄土的c u 试验结果与理论计算结果对比分析，认为该模型参数少，应用方便，能够反映水 泥黄土强度随围压变化特征和水泥黄