（岩土工程专业论文）纳米材料水泥土工程性状试验研究.pdf

摘要 通过室内试验，对分别掺入纳米材料a 1 2 0 3 及纳米材料t i 0 2 的水泥土工程性 状开展了研究。根据试验结果，首先分析了纳米材料a 1 2 0 3 掺入比、龄期、土样 含水量、水灰比等对掺纳米材料a 1 2 0 3 水泥土强度的影响，并给出其应力应变 ：关系( 本构关系) 和一定条件下的最佳配比；其次，分析了纳米材料t i 0 2 掺入 比、龄期等对掺纳米材料t i 0 2 水泥土强度的影响：最后，通过比较前人的研究 成果，对分别掺入纳米材料a h 0 3 、纳米材料t i 0 2 及纳米材料s i 0 2 一x 的水泥土 强度进行了对比分析。 研究表明：掺纳米材料a 1 2 0 3 水泥土强度随龄期的增加而增长；随纳米铝掺 入比增加呈先增大后减小的趋势，峰值出现在纳米铝掺入比为5 左右；随水泥 掺入比的增加而增加；在影响纳米铝水泥土强度的各因素中，水泥掺入比的影响 最为显著，土样含水量影响次之，纳米铝掺入比的影响再次之，而水灰比的影响 较小。其o s 关系曲线形状呈抛物线。 掺纳米材料t i 0 2 水泥土无侧限抗征强度随纳米钛掺入比及龄期的变化不明 强，但其各龄期强度较普通水泥土强度均大幅度降低。卜多 综合分析认为：掺纳米材料s i 0 2 x 可以大幅度提高水泥土强度，掺纳米材料 a 1 2 0 3 能提高水泥土强度，而掺纳米材料n 0 2 则降低水泥土强度，可见，并不是 所有的纳米材料都能作为水泥土的外加剂。 关键词；水泥土外掺剂纳米材料工程性状 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so f t h en a n o a 1 2 0 3a n dl l a n o 。t i 0 2 r e i n f o r c e dc e m e n t s t a b i l i z e ds o i l a l e r e s p e c t i v e l y s t u d i e dt h r o u g ht h el a b o r a t o r y e x p e r i m e n t s b a s e do nt e s t i n gd a t a , t h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h ( u c s ) o f n a n o m e t e r i a l a 1 2 0 3r e i n f o r c e dc e m e n t s t a b i l i z e ds o i l ( n a r c s s ) i sf i r s t l ya n a l y z e d i n d i f f e r e n tn a n o m a t e r i a lm i x i n gr a t i o ，c e m e n tm i x i n gr a t i o ，c u r i n g - p e r i o d ，w a t e rc o n t e n t ， w c r a t i o ，e t c ，a n dt h e nt h es t r e s s s 岫r e l a t i o n s h i po fn a r c s si sg i v e n t h e v a r i a t i o no ft h eu c so fn a n o m e t e r i a l t i 0 2r e i n f o r e e d c e m e n t s t a b i l i z e ds o i l ( n t r c s s ) i sa l s og i v e ni nd i f f e r e n tn a n o m e t e r i a lm i x i n gr a t i oa n dc u r i n gp e r i o d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f o t h e rr e s e a r c h e r s ，t h es t r e n g t ho fc e m e n t s t a b i l i z e ds o i l r e i n f o r c e dw i t hd i f f e r e n tn a n o m e t e r i a la l ec o m p a r e d t h es t u d i e ss h o w st h a tt h eu c so fn a r c s si n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f c u r i n gp e r i o d ，i n c r e a s e sf i r s t l y a n dt h e nf a l l sw i t hn a n o a 1 2 0 3 m i x i n gr a t i o ，a n d i n c r e a s e sw i t hc e m e n tm i x i n gr a t i o a c c o r d i n gt ot h ei n f l u e n c i n gd e g r e e ，t h em a i n f a c t o r sc a nb er a t e da sf o l l o w i n g ：c e m e n tm i x i n gr a t i o ，w a t e rc o n t e n t ，l l a n o - 烈2 0 3 m i x i n gr a t i o t h ew cr a t i o t h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i po f n a r c s sc a nb er e g r e s s e d b yp a r a b o l a t h eu c so fn t r c s sd o e s n tv a r yg r e a t l yw i t hi n c r e a s eo fn a n o t i 0 2m i x i n g r a t i oa n dc u r i n gp e r i o d ，b u tc o m p a r e dw i t ht h a to f g e n e r a lc e m e n t s t a b i l i z e ds o i l ，t h e u c so f n t r c s s 砒d i f f e r e n t c u r i n g p e r i o dd e c r e a s e sg r e a t l y t h ea d d i t i o no f l l a n o s i o z - xc a nr e m a r k a b l ys t r e n g t h e nc e m e n t s t a b i l i z e ds o i l ， a n dn a n o a 1 2 0 3c a ni n c r e a s et h eu c so f c e m e n t - s t a b i l i z e ds o i l h o w e v e r , n a n o t i 0 2 h a sb a de f f e c to nt h eu c s t h e r e f o r e ，a l ln a n o m a t e r i a l sc a n tb eu s e da sa d d i t i v eo f c e m e n t 。s t a b i l i z e ds o i l k e yw o r d s ：c e m e n t - s t a b i l i z e d s o i l ，a d d i t i v e ，n a n o m a t e f i a l ，e n g i n e e r i n gp r o p e r t y i f 笪曼兰堡望一 ( 矾一以) 主应力差( k p a ，m p a ) ； ( 盯一) ，土体破坏时的主应力差( k p a ，m p a ) ( 吼一c r 3 ) 。双曲线渐近线对应的主应力差( k p a ，m p a ) 0 。最大应力( k p a ，m p a ) ； f 应变( ) ： r 。相应于最大应力时的应变值( ) ； co5 应力为q 2 时对应的应变值( ) ； 晶轴向应变( ) ； r 内摩擦角( 。) ： p 土的密度( g c m 3 ) 。 浙江大学项士学位论文纳米材料水泥土工程性状试验研究耄型! 塑坚 符号与说明 d 。水泥掺入比( ) ； d 甜一最低水泥掺入比： a w i 纳米掺入比( ) ： a w l 纳米材料a 1 2 0 3 掺入比( ) ： “。2 纳米材料t i 0 2 掺入比( ) ： ( z 。3 纳米材料s i 0 2 x 掺入比( ) ： d h 压缩系数( k p a l ) ： a o 试样试验前截面积( c m 2 ) ： c 一粘聚力( m p a ) ； c 量力环系数( n 格) ： d o 试样平均直径( c m ) ： c 孔隙比： 岛起始变形模量( m p a ) ： 岛o 平均变形模量( m p a ) ： 西破坏变形模量( m p a ) ： 巨压缩模量( m p a ) ： g s 土样的土粒相对密度； 卜水泥土的固化系数( m p a ) ： g 。无侧限抗压强度( k p a ，m p a ) ： g u 7 龄期7 d 时无侧限抗压强度( k p a ，m p a ) ： 譬u 2 s 龄期2 8 d 时无侧限抗压强度( k p a ，m p a ) q u 6 0 龄期6 0 d 时无侧限抗压强度( k p a ，m p a ) g 删龄期9 0 d 时无侧限抗压强度( k p a ，m p a ) 赏量力环读数( 格) ； 7 。龄期( d ) ： m 一土样含水量( ) ： 液限( ) ； w 广塑限( ) ； w 仔水灰比： 。应力( k p a ，m p a ) ： v 塑垩查兰堡主兰垡丝苎 塑鲞塑型查塑圭三堡丝鲨蔓竺竺垄兰旦l ! ! ! 堡 第一章绪论 1 1 引言 水泥土( c e m e n t - s t a b i l i z e ds o i l ) 是由水泥、土及其它外加剂均匀混合后，经一 系列物理化学反应而形成的多相混合体系。根据形成方法及用途，水泥土可分 为两种类型：由水泥、土等拌和而成水泥土，作为一种建筑材料使用。广泛应 用于道路基层、大坝护坡、修建民房等工程中：通过特制机械各种深层搅 拌机，沿深度将水泥浆或水泥粉体( 掺一定的外加剂) 与地基土强制就地搅拌形 成水泥土，主要应用于地基处理及防渗工程中。 水泥土的最初应用，可追溯到上世纪初。1 9 1 5 年，美国佛罗里达( f l o r i d a ) l 、i , i - - 位大胆的铺路承包商在修筑奥克( o a k ) 街的一段时，利用在海湾挖出的贝壳， 将它和水泥、砂子混合在一起，经l o t 压路机将表面压实而形成路面。以后，工 程师们在试验土和水泥的混合物，试图找到能利用当地土料为主要原料的廉价筑 路材料，这便是国外最初应用水泥土的目的。到二十世纪三十年代，美国在铺设 道路、公路、机场跑道方面，已使用水泥土约1 9 1 亿m 3 。四十年代，美国材料 试验协会( a s t m ) 在工程土壤规程中，编订了水泥土试验标准，水泥土应用得到 迸一步发展。 五十年代初，美国曾在邦奈( b o n n y ) 水库土坝用水泥土做护坡材料试验，十 年后取样检验，材料强度较2 8 d 强度增长了一倍，而且各层水泥土之间联结较牢 固。由于试验成功，到七十年代中期，美国各地已有5 5 座水库大坝采用水泥土 护坡，这些大坝水泥土护坡工程量1 6 0 万m 3 。 水泥土材料在些发展中国家也有广泛应用。在印度，水泥土不仅用于筑路、 防渗、护坡等工程中，还用于修建民房等。1 9 4 8 年，在旁遮普邦建筑了4 0 0 0 幢 水泥土民房，水泥掺量为2 5 ，据报道，这些建筑物经多年使用后情况良好。 非洲一些国家，如赞比亚、安哥拉、肯尼亚等也大量使用水泥土作为基层及底基 层修筑了大量公路。据英国道路研究所调查，这些水泥土水泥掺量在3 8 之 间，除肯尼亚道路使用情况较差外，其余道路均使用良好。 国内从七十年代前期开始在水利工程中研究和应用水泥土，并取得了迅速的 发展a 此后，水泥土被应用于护坡、防渗、农用暗管排灌等方面。 二次大战后，美国首先研制成功一种地基处理方法水泥深层搅拌法。它 是通过深层搅拌形成水泥土桩或水泥土块体加固地基的方法。水泥深层搅拌法自 问世以来，得到了广泛应用。 墨= 童生堕一 1 9 7 7 年，水泥深层搅拌法由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院 引入到我国，经过一系列的开发，于1 9 8 0 年正式应用于工程实践。之后，随着 各种深层搅拌机械研制成功，水泥深层搅拌法在我国得到长足发展。1 9 9 2 年， 交通部一航局引进、开发海上深层搅拌技术，并于j 9 9 4 年通过鉴定。 深层搅拌法适用于处理淤泥、淤泥质士、粉土和粘性土地基，可根据需要将 地基加圊成块状、圆柱状、壁状、格栅状的水泥土。深层搅拌法具有旖工速度快， 无公害，施工过程无振动、无噪音、无地面隆起，不排污，不排土，不污染环境 和对相邻建筑物不产生有窖影响等特点，具有良好的经济效益和社会效益。近年 来，在我国分布有软土的地区，如浙江、江苏、上海、天津、福建、广东、云南、 湖北、山东、海南以及台湾等地，得到广泛应用，发展迅速。 然而，由于水泥土强度不够高，所形成的复合地基承载力不够，后期变形较 大等诸多问题，水泥深层搅拌法在应用上受到极大限制。因此，开展如何提高水 泥土强度的研究具有重要意义。 目前国内应用水泥搅拌法的水泥掺量一般为7 2 5 ，水泥土标准强度 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，水泥掺量为8 1 0 时水泥土强度能达到2 5 m p a 以上，其主要措施是针对不同土体掺用相应的 外加剂和掺合料。日本经验是：找到合适的外加剂是提高水泥土强度的有效途径。 纳米粒子处于介观领域( 既非传统意义上的宏观领域，亦非微观领域) 。科 学实验证实，当常态物质被加工到极其微细的纳米尺度时，会出现特异的表面 效应、体积效应和量子效应，其光学、热学、电学、磁学和力学性能也就相应 地发生十分显著的变化。例如，由于纳米颗粒的比表面积大，当粒子为4 n m 时， 表面积，体积比达到4 0 ；比表面积增大，表面原子数增多及表面原子配位不饱 和导致大量的悬键和不饱和键，这就使得纳米微粒具有高的表面活性，产生显 著的表面效应。研究和实验表明，纳米a 1 2 0 3 粒子掺入橡胶中，将提高橡胶的 介电性和耐磨性；放入金属或合金中可以使晶颗细化，大大改善力学性质；在 陶瓷里添加少量的纳米a 1 2 0 3 可以使陶瓷更加致密，改善陶瓷的冷热和疲劳性 能，且强度与钢材不相上下。 当水泥土中掺入适当配比的纳米材料时，纳米粒子与周围的离子迅速键合， 把松散的水泥土变成以纳米矿粉为核心的网状结构，以获得细观上十分致密的 纳米材料水泥土，形成纳米矿粉水泥土的复合增强体，从而获得较高 强度的水泥土。因此，将纳米材料引入到水泥土应用中，必将有广阔和良好的 发展前景。 1 2 水泥土基本性质研究现状 1 2 1 水泥土的物理性质 ( ) 水泥土的重度：水泥土是由水泥与土拌和而成的，由于水泥重度与 塑垩查堂堡主堂堡堡兰 垫鲞塑整查堡圭三堡丝堕蔓壁婴窭至旦! ! ! ! 坚 软土重度相近，故水泥土的重度与形成水泥土的天然土重度相近。 ( - - ) 水泥土的土粒相对密度：由于水泥的土粒相对密度( 3 1 ) 比一般软 土的土粒相对密度( 2 6 5 2 7 5 ) 大，所以水泥土的土粒相对密度也比天然土稍 大。当水泥掺量为1 5 、2 5 时，水泥土的土粒相对密度比软土的土粒相对密度 约增加4 。 1 2 2 水泥土的力学性质 ( 一) 抗压强度及其影响因素 水泥土的无侧限抗压强度一般为0 3 4 m p a ，比天然软土大几十倍至数百倍。 图1 - 1 表示由水泥土无 侧限抗压强度试验得 到的o s 关系曲线。 由图1 - 1 可见，当水泥 土强度较低时，其o r 曲线表现为塑性材 料的性质，随着强度的 提高，其口r 曲线逐 渐趋向于脆性材料的 性质。水泥土受压破坏 时，轴向应变较小，一 般为0 8 1 2 。 影响水泥土抗压 强度的因素很多，主要 有水泥掺入比、水泥标 0 00 20 40 60 8i 01 2 1 41 61 82 02 2 f 图1 一l水泥土o f 关系曲线 ( 引自地基处理手册( 第二版) ，2 0 0 0 ) 号、养护龄期、土样含水量、土中有机质含量、外掺剂以及围压等。 ( 1 ) 水泥掺入比a 。 水泥土的抗压强度随着水泥掺入比的增大而增大( 地基处理手册( 第二 版) ，2 0 0 0 ) ，且当c 【。= 5 2 0 时，水泥土的抗压强度与水泥土掺入比呈幂函 数关系，其表达式为： 式中 吼- 水泥掺量为l 的水泥土抗压强度； g 。2 水泥掺量为g , w 2 的水泥土抗压强度。 粱仁旺等( 2 0 0 0 ) 通过试验得出：当水泥掺入比低于1 5 时，水泥的掺入 比对抗压强度影响不大；随水泥掺入比的增大，水泥土的抗压强度也随着增大， 但两者并非线性关系。 、堕，l 1 1 纽 一笙二兰堕丝 李俊才等( 1 9 9 8 ) 通过对粉喷法加固软土地基而形成的水泥土的研究表明： 水泥土存在一个最佳掺入比，超过最佳掺a l t 后，水泥掺入比的增加对水泥土抗 压强度影响不大。安美娣等( 2 0 0 0 ) 也有类似的结论，认为水泥掺入比为1 7 l8 时的水泥土抗压强度与水泥掺入比为2 0 时的水泥土抗压强度非常接近， 水泥掺入比的增加已不能有效提高水泥土的强度。 汤怡新( 2 0 0 0 ) 认为当水泥掺入比小于某一最低掺入比时，水泥土的强度得 不到提高；并认为水泥土无侧限抗压强度与水泥掺入比存在如下关系： q 。= | j ( 口，一口，o ) 式中g f 一水泥土无侧限抗压强度( m p a ) ； 卜水泥土的固化系数( m p a ) ； 窿。d 一最低水泥掺入比。 ( 2 ) 龄期7 地基处理手册( 第二版) ( 2 0 0 0 ) 载明：水泥土的强度随着龄期的增长而 增大，一般在2 8 d 龄期后仍有明显的增加。并认为t = 1 5 9 0 d 时，水泥土无侧限 抗压强度与龄期有如下的关系： q 。一f 正_ o - o q 。zl 疋j 式中 吼l 水泥掺量为n 的水泥土抗压强度； g 。2 水泥掺量为乃的水泥土抗压强度。 ( 3 ) 水泥标号对水泥土 强度的影响 地基处理手册( 第 ：二版) ( 2 0 0 0 ) 给出：水泥 土的抗压强度随水泥标号 的提高而增加。水泥标号 每提高】0 号，水泥土的强 度大约增加2 0 3 0 。 ( 4 ) 士样含水量对强度 的影响 地基处理手册( 第 二二版) ( 2 0 0 0 ) 指出：水泥 土的抗压强度随着土样含 水量的增加而迅速降低， 如图1 2 所示。由图1 2 芒 ， 甘 世 嘿 醚 蜒 1 5 1 0 0 5 00 1、= 1 0 ：t = 2 8 dl ff l fi f fj 02 55 0 7 51 0 0 1 2 5 1 5 017 5 原土样含水量w 图i - - 2 土样含水量与抗压强度关系 ( 引自地基处理手册( 第二版) ，2 0 0 0 ) 堂望查兰堡主堂焦丝苎 塑鲞塑塑查翌圭三矍丝坚堕篁堕壅三卫生! ! ! 堡 可知：土样含水量增加3 3 倍，水泥土的抗压强度降低8 9 倍。 周承刚( 2 0 0 1 ) 认为：土样含水量每降低1 0 ，水泥土无侧限抗压强度大 约提高1 0 3 0 。 汤怡新( 2 0 0 0 ) 也得出类似的结论，并进一步给出了无侧限抗压强度与士样 含水量之间的关系： 铲丽k ( a w - a w o ) ( w 而+ 1 j 式中口。水泥土无侧限抗压强度( m p a ) ； 肛一水泥土的强度系数( m p a ) ； 口、v _ 一水泥掺入比； 仅w 0 最低水泥掺入比； 卜一土样含水量： g s 土样的土粒相对密度。 ( 5 ) 土质的影响 地基处理手册( 第二版) ( 2 0 0 0 ) ：不同的土样掺入等量的水泥后，水泥 土的强度可相差近一倍，表明土质对水泥的硬化过程有显著影响。在表l 一1 中： 各土样制成的水泥土中液相c a ( o h ) 2 是不饱和的，各水泥土试样液相o h 一和c a o 的浓度以及( c d ”) ( o h 甲的数值呈如下的趋势：试样l 试样2 试样3 试样4 。即水泥土试样液相o h 一和c a o 商，则水泥水化产物生成量大，水泥土强度高。 苎= 兰竺l 一 ( 6 ) 土样中有机质含量的影响 图l 一3 为两种有机质含量不同的软土配制的水泥土的强度曲线。这两种土 样均为海相沉积淤泥质土，土样i 有机质含量为1 _ 3 ，土样i i 为1 0 o l 。由 图可见有机质含量少的水泥 ：t 强度比有机质含量高的水 3 0 0 0 泥土强度高得多。一 林琼( 1 9 9 3 ) 就土体中 2 5 0 0 的有机质对水泥土强度进行 。2 0 0 0 了深入的研究，认为富里酸 不但阻碍了水泥水化的进 1 5 0 0 程，而且还分解水泥水化的 1 0 0 0 产物，这大大降低了水泥土 ；。 的强度。 浙江大学硕士学位论文纳米材科水泥土工程性状试验研究 李刚2 ) 0 3 2 侧限抗压强度的增大而增加，其粘聚力c 与无侧限抗压强度吼的比值c g 。= 0 2 0 3 ；其内摩擦角在2 0 。3 0 。之间变化。 表l 一2水泥土直剪试验结果 天然土样试验水泥土试验 试验 无侧限抗抗剪强度永泥掺量水泥土无侧限抗抗剪强度 压强度牯聚力 内摩擦角 龄期压强度 粘聚力内摩擦角 编号 q # 口 q v ( m p a ) ( m p a )( 度) ( d ) ( m p a )( m p a ) ( 。) 1 02 806 2 3 0 1 6 l2 6 5 ： 0 0 3 700 1 41 41 09 0 i1 2 402 7 l3 1 3 1 52 8 1 3 1 50 2 8 93 2 ( 引自地基处理手册( 第二版) ，2 0 0 0 ) ( 2 ) - _ - - 轴不排水剪切试验 采用直径3 9 1 c m 、高度为8 c m 得试样在应变控制式三轴剪力仪上进行三轴 u u 试验。其试验结果与直剪试验相类似，即水泥土得抗剪强度随水泥土的无侧 限抗压强度增大而增加。另外，水泥土受三轴剪切时有明显的破坏面，破坏面与 最大主应力作用面的夹角约为6 0 。7 0 。 当水泥土强度很低时，三轴剪切破坏时的应力圆直径几乎不随围压的改变而 变化，强度包线接近一条水平直线，与原软土的性质相似；当水泥土的强度较高 时，破坏时的应力圆直径随围压的增大而增加，强度包线成斜线，与原软土的性 质完全不同。 郝巨涛( 1 9 9 1 ) 认为：水泥土材料的力学特性类似于超固结土。在应力水平 较低时，o s 关系曲线呈软化型，且在剪切过程当中，伴随有剪胀现象：随着 应力水平的提高，o s 关系曲线逐渐过渡到硬化型。 ( 四) 水泥土的变形特性 表1 - - 3 为不同无侧限抗压强度的水泥土进行变形模量试验的结果。由表可 见，当q u = 3 0 0 4 0 0 k p a 时，其变形模量岛o = 4 0 6 0 0 m p a ，般情况下，历n _ ( 1 2 0 1 5 0 ) q 。 水泥土的压缩试验结果表明，其压缩系数a l - 2 随水泥掺量的增加而减小，约 在( 2 - 0 3 - 5 ) 1 0 “( k p a ) 1 之间变化；其相应的压缩模量e s - - 6 0 1 0 0 m p a 。 师寺昌明( 1 9 8 0 ) 认为：水泥土变形模量一般为其无侧限抗压强度的l o o 2 0 0 倍，即e s o = ( 1 0 0 2 0 0 ) q 。 第一章绪论 表1 - - 3水泥土的变形模量 试样 无侧限抗压强度破坏应变 变形模量 e 一钆 编号 q m ( ”a )“)厶o ( k p a ) l2 7 4 08 03 7 0 0 01 3 5 24 8 2 】1 56 3 4 0 01 3 i 3 5 2 409 5 7 4 8 0 01 4 2 4 1 0 9 3 0 9 01 6 5 7 0 0 1 5 l 5 1 5 5 4i 0 0 1 9 1 8 0 01 2 3 6 1 6 5 l09 0 2 2 3 5 0 01 3 5 7 2 0 0 8 t 1 5 2 8 5 7 0 01 4 2 8 2 3 9 2 i2 0 2 9 1 8 0 01 2 1 9 2 5 1 3 12 0 3 3 0 6 0 01 3 】 1 0 3 0 3 60 9 0 4 7 4 3 0 0 1 5 6 1 l 3 4 5 0 10 0 4 2 0 7 0 0 1 2 l 1 2 3 5 1 8 0 ，g o 5 41 2 0 0 1 5 3 ( 引自地基处理手册( 第二版) ，2 0 0 0 ) 1 2 3 水泥土的抗渗性能 水泥土的渗透系数比天然土小三到四个数量级。当天然土的渗透系数为n 1 0 - 7 c m s 时，随水泥掺量 的增加，水泥土的渗透系 数可降低为1 - ( 1 0 1 0 1 0 1 ) c m s ，如图1 4 所 示。 1 2 4 水泥土的抗冻和抗 蚀性能 ( ) 水泥土的抗冻 性能 1 0 7 z 5 1 0 。s 、 k 1 0 。9 1 0 1 0 塑竖查兰堡主堂丝堡苎丝鲞塑型查塑圭三堡堡垫堡堕墅壅兰旦! ! 竺翌 水泥土是水泥和土体拌和均匀后的产物，现场深层搅拌施工工艺更使水泥土 中存在大量孔隙，因此，对于水泥有腐蚀性的物质，也会对水泥土形成腐蚀作用。 土体( 或土中的水) 对水泥土的腐蚀主要有两类：分解性腐蚀和结晶性腐蚀。 水泥水化产物水化硅酸钙等都必须在一定的c a ( o h ) 2 浓度下才能达到 平衡，稳定存在。土体中的一些物( 杂) 质，会导致c o h ) 2 浓度不断下降，使 得水化硅酸钙等水泥水化物分解，从而使水泥土逐渐丧失强度。这种腐蚀称为分 解性腐蚀。另外在有些士体中，c 1 一、h c 0 3 一、s 0 4 2 _ 等阴离子和m g ”， n a + 等 阳离子的浓度很高，水泥土在此环境的长期浸泡下。生成一些结晶物，造成水泥 土体积膨胀及裂缝等，使水泥土丧失强度。这种腐蚀称为结晶性腐蚀。在结晶性 腐蚀中，水泥矿物成分含量不同，对水泥土抗结晶性腐蚀的能力影响很大。因此， 为提高水泥土的抗腐蚀性能，应针对不同腐蚀情况，选用合适的水泥。 1 3 水泥土外加剂研究现状 针对水泥土外加剂的研究，曾取得相当多的研究成果。从这些研究成果来 看，目前用于水泥土的外加剂主要有以下几类：硅粉、石膏及硫酸盐、石灰、 粉煤灰、纤维、复合外加剂等。 ( - - ) 硅粉 李文斌( 1 9 9 4 ) 通过试验研究后得出结论：在水泥土中掺入硅粉，可以提 高水泥土强度。并给出：在水泥掺入比为1 1 时，掺入5 的硅粉，水泥土强 度提高1 3 6 3i 2 。 黄殿英( 1 9 9 5 ) 通过试验研究也得出类似结论。他认为，硅粉具有粒度小、 比表面积大、活性高等特点，能够为水泥颗粒的早期水化提供比较理想的场所， 使水泥土的早期强度提高。并给出硅粉的最佳掺入比在1 0 2 0 之间，在此 掺入比范围内，水泥土强度可提高一倍以上。同时，黄殿英还对硅粉对水泥土 含水量影响做了研究。掺入硅粉后，可以降低水泥土的含水量，2 8 d 含水量比 7 d 含水量降低6 7 1 1 6 ，而单掺水泥的水泥土含水量比土则略有增加。 ( 二) 石膏及硫酸盐 黄新，周国均等( 1 9 9 4 ) 对高孔隙比的松散软土、泥炭土、淤泥土等制成 的水泥土，加入石膏后对其性质进行研究并得出结论：当孔隙水碱度较低时， 加入石膏可以胶结土粒和膨胀填充孔隙双重作用。在水泥用量相同前提下，加 入一定量的石膏，水泥土强度可提高1 5 倍，节省水泥用量2 0 5 0 ，并可 处理大量工业废石膏。 刘顺妮等( 1 9 9 8 ) 对石膏及硫酸盐( 主要为石膏+ n a 2 s 0 4 ) 作为水泥土外 加剂进行试验研究。认为对高含水量土，加入适当的硫酸盐，有利于形成较多 的钙矾石t 提高水泥土强度。而对较低含水量的土，应控制硫酸盐的掺量，以 免生成太多的钙矾石，造成体积膨胀，降低水泥土强度。并给出含水量为4 8 9 一 墨二皇笙兰一 t 外加剂的最佳配方：水泥( 8 3 ) + 石膏( 1 4 ) q - n a 2 s 0 4 ( 3 ) a 用此外加 剂，7 d 时无侧限抗压强度提高7 3 。 ( 三) 石灰 童小东等( 2 0 0 0 ) 对石灰作为水泥土外加剂进行了研究，认为将熟石灰加 入土中后，水泥土早期强度降低，后期强度提高。加入一定量熟石灰后，7 d 时 强度比单掺水泥的水泥土降低1 7 左右；3 0 d 时强度与单掺水泥的水泥土基本 相近；9 0 d 时强度比单掺水泥的水泥土提高2 3 以上。 ( 四) 粉煤灰 候永峰( 1 9 9 7 ) 认为：掺入少量的粉煤灰可以提高水泥土强度，而掺入过 量粉煤灰，将有可能降低水泥土强度。 张明，白晓红( 2 0 0 1 ) 通过试验研究后认为：加入粉煤灰能提高水泥土强 度，但作用不如水泥明显；但粉煤灰能提高水泥土密实度，降低渗透性。 周承刚，高俊良等( 2 0 0 1 ) 认为：当粉煤灰掺量为水泥掺量的1 0 0 时，水 泥土强度比单掺水泥提高1 0 左右。 ( 五) 纤维 w ua n de r b ( 1 9 8 8 ) 等对植物根系对土抗剪强度影响开展了研究，认为植 物根系可以提高土体抗剪强度，增加自然边坡的稳定性。 g r a y a n d m a h e r ( 1 9 8 9 ) ，m a h e ra n d g r a y ( 1 9 9 0 ) ，m a h e r a n d h o ( 1 9 9 4 ) ， m i c h a l o w s k ia n dz h a o ( 1 9 9 6 ) ，等对用纤维加固土进行三轴试验研究，认为水 泥土中加入纤维后，可以提高其强度。 ( 六) 纳米材料s i 0 2 x 王立峰，朱向荣( 2 0 0 2 ) 通过试验研究表明，在水泥土中掺入适当比例的 纳米材料s i o x ，可以显著提高水泥土的强度，并指出纳米材料s i 0 2 - x 的最佳 掺入比在被加固土的1 5 0 o o 左右。 ( 七) 复合外加剂 硅粉、粉煤灰、石膏及硫酸盐、熟石灰等都可以提高水泥土的强度，但提 高的机理各不相同。将其中的几种结合起来，充分发挥各自的优势，就可能形 成性能更好的各种复合外加剂。 将粘土浆液与水泥和其它固化剂混合在一起，搅拌均匀，形成混合浆液， 随时间增加，浆液固结成结石体一水泥土，其无侧限抗压强度可达5 0 0 6 0 0 k p a ( 王星华，1 9 9 9 ) 。其使用的固化剂也是一种复合外加剂，组成如下：铝酸盐： 3 0 5 0 ；硫酸盐5 2 0 ：硅酸盐：5 1 5 ；二氧化硅( s i 0 2 ) ：1 1 0 ：生 石灰( c a o ) ：1 1 0 。 李剑，吴恒等( 2 0 0 0 ) 使用干细砂，粒径0 1 6 m m ：干粘土，粒径 0 - 1 0 m m ；粉煤灰，细度3 4 6 ；外掺剂b ，灰色，主要成分为硬石膏，含 水量8 ；半水石膏( 2 c a s 0 t h z 0 ) 中的一种或几种混合在一起作为水泥土外 o 塑坚查兰堡主堂堡垒塞墅鲞楚型查塑圭三矍丝鲨蔓墼里塞 三三型三! ! 堡 加剂，取得了一定的加固效果。 潘林有( 2 0 0 1 ) 对温州软土进行了各种外加剂室内试验研究，找到了适合 温州软土的复合外加剂。该复合外加剂由水泥+ 石膏+ 粉煤灰+ p l i 复合添加剂 组成，其中，p l l 复合添加剂由三乙醇胺、盐卤、水玻璃等8 种化学外加剂组成。 温州软土使用该复合外加剂后，9 0 d 无侧限抗压强度约比单掺水泥( 水泥掺入 比1 5 ) 的水泥土提高1 2 5 。 s h e n b a g ar k a r & a j ，v a s a n tg h a v a n a g i ( 2 0 0 1 ) 使用粉煤灰+ 纤维作为水泥 土外加剂，进行了大量试验研究后认为：水泥土中纤维的加入增强了水泥土的 塑性；粉煤灰+ 纤维对水泥土强度的提高程度，基本上等于或略大于两者分别 作用与水泥土时强度提高程度之和。n i l oc e s a rc o n s o l i ，e t a ( 2 0 0 1 ) 将粉煤灰 及石膏和土混合后，认为粉煤灰及石膏能提高土体内摩擦角及粘聚力。 ( 八) 其它外加剂 采用常见的水泥石灰、水泥粉煤灰、水泥石膏等处理地基时， 在技术及经济上均未能获得满意的效果。国内外专家一直在开发探索新的有效 的土体固化剂。国外如美国路邦( r o a d b o n d ) 公司的路基强固剂，日本世纪 东急工业株式会社的土体安全剂等。国内如北京奥特赛特，海南筑车，北京固 郯等。这些新型的固化剂主要是在水泥、石膏等基础上，掺入其它高性能吸水 材料或活性材料。这些新型的固化剂固化形成的固化土本质上就是掺入复合外 加剂的水泥土。目前研制开发或已投入使用的有n c s 系列、d l l 型、h s 系列 等。 ( i ) n c s 系列 n c s 是在水泥、石灰中添加合成的“s c a ”高性能无机增强吸水材料而形成 的复合固化材料。n c s 系列有n c s 一1 、n c s 一2 、n c s 一3 、n c s 一4 等产品，分别 适用于不同的细粒土特性。其中，n c s l 适用于塑性指数为1 2 2 0 的粘性土： h c s 一2 适用于塑性指数为1 5 2 5 的粘性土；n c s 一3 适用于塑性指数为1 0 1 7 的粘性土、盐渍土、黄土：n c s 一4 适用于塑性指数为1 8 3 5 的粘性土、过湿 土、红粘土、膨胀土、有机质土等。近年来，n c s 在山东、江苏、吉林、四川、 甘肃、上海、安徽、广西等地得到广泛应用。 ( 2 ) h s 系列 在水泥中加入约1 0 的固化素，复合成一种新型的土体固化剂h s 软土 固化剂( 周明凯等，1 9 9 6 ) ，h s 固化土和一般水泥土强度对比见表l 一4 。h s 固 化土的强度比水泥土强度提高0 3 0 5 m p a ，即在同等条件下h s 固化土强度增 长率较大，比水泥土强度提高3 0 以上。研究表明，水泥土强度随含水量的增 加而直线下降；而h s 固化土随含水量增加，在大于液限的高含水量区强度存在 。+ 峰值，且各含水量点强度均比水泥土高。h s 固化土水稳性好。由此可见，h s 系列固化剂特别适用于固化高含水量的软土。 第一章绪论 i 十名中粉重粉粉质 粘土重粉质低液限 质土质土粘土粘土 砂土 含水量( ) 4 53 44 84 36 15 5 f 水泥土( m p a ) 0 3 6 30 9 90 2 3 2i 3 2 l0 1 7 70 8 5 8 i t s 固化土( m p a ) o 7 31 4 20 7 1 31 7 5 1 0 4 9 41 3 6 1 i 强度增长率( )1 0 14 32 0 73 21 7 95 8 ( 引自刷明凯等，1 9 9 6 ) ( 3 ) d l l 型固化剂 d l l 型固化剂为水泥、石灰等无机结合材料和化学添加剂复合而成。该固 化剂与土体颗粒混合后发生一系列物理化学反应。其中主要矿物硅酸三钙与水 化合后形成氢氧化硅酸钙( c h c ) 凝胶，氢氧化钙和活性二氧化硅再次反应， 补充生成具有强度的水化硅酸钙，加强土体之间凝结，使土体形成具有强度的 结构物；并且水化反应生成的结晶体使得固化剂形成的固化土体积增加，有效 填充了土体之间孔隙，使得土体之间更加紧密。同时，固化剂中某些离子也能 与土颗粒产生高效的离子交换，使得加固土层内部针状晶体相互交叉形成独特 的链状和空间网状结构，改变了土中孔径分布。另外，固化剂与水作用时，改 变了原土体表面的自由水，使其重新排列组合，大量自由水以结晶水形式固定 下来，使土体中的含水量迅速减少，土颗粒重新按两端正负荷相互吸引而紧密 结合。 1 4 纳米科技进展与纳米材料特性 1 4 1 纳米科技进展 纳米科技( n a n o s t ) 是在2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初才逐步发展起来的 前沿、交叉性新兴学科领域。纳米科技是一门在l n m ( 也有学者认为是o 1 n m ) 到l o o n m 的尺度上研究物质的特性和相互作用，并利用它制造具有特定功能产 品的科学与技术。开展纳米科技研究，将大大拓展和深化人们对客观世界的认识， 使人们能够在原子、分子水平上制造材料和器件，导致信息、材料、能源、环境、 医疗与卫生、生物与农业等领域的技术革命。 我国著名科学家钱学森认为，纳米技术将会带来一次技术革命，从而将引起 2 1 世纪又一次工业革命。美国i b m 公司首席科学家a r m s t m n g 说：c c 正如7 0 年 代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核 心。”纳米技术被认为是对2 1 世纪系列高新技术的产生和发展有极为重要影响 的学科，被世界各国列为2 1 世纪的三大关键技术( 信息技术、生物技术、纳米 技术) 之一。为了抢占科技制高点，许多国家把纳米技术列入国家科技战路重点。 塑堡苎兰堕兰兰垡堡壅垫鲞丝垫查里圭三堡丝鉴堕竺竺塑生旦i 三! ! 旦 我国政府十分重视纳米技术的研究，不断加大投入。目前已将纳米技术研究列入 国家“8 6 3 计划攀登计划和“火炬计划”( 马燕合、李克健等，2 0 0 1 ：张立 德，2 0 0 1 ) 。 在纳米科技中，纳米材料的应用成为人们关注的热点。近年来，国内外的 应用主要包括：陶瓷纳米粉体对常规陶瓷和高技术陶瓷的改性、纳米功能涂层的 制各技术和涂层工艺、纳米添加功能油漆涂料的研究、纳米添加塑料改性以及纳 米材料在环保、能源、医药、电子元器件等领域的应用，磨料、釉料以及纸张和 纤维填料的纳米化研究也相继展开( 张立德，2 0 0 1 ) 。 目前，在建筑材料方面，纳米材料主要应用于涂料、建筑玻璃等方面。水溶 陛自清洁涂料已经开发成功，其耐水冲刷能力、防尘及防褪色能力都优于传统涂 料：具有杀虫、防放射性纳米改性涂料也在实验室研制成功( 张立德，2 0 0 1 ) 。 1 4 2 纳米材料的特性( 张立德，2 0 0 1 ) 科学研究表明，当物质加工到l o o n m 以下尺寸时，往往产生既不同于微观 啄子、分子，也不同用宏观物质的超常规特性，即呈现出许多既完全不同于宏观 物体，也不同于单个孤立原子的奇异的物理性质、化学性质和力学性质，其优异 特性在于“纳米效应”，主要包括这五种效应：表面效应，量子尺寸效应、体积 效应、宏观量子隧道效应、界面相关效应。 ( 一) 表面效应。纳米粒子的表面原予数与总原予数之比随粒径的变小而急 剧增大后所引起的性质上的变化，如表面活性的增加等。 ( 二) 量子尺寸效应。指纳米粒子尺寸下降到某一定值时，费米能级附近的 电子能级由连续能级变为分立能级的现象，这一效应可使纳米粒子具有特异的光 学性质等。 ( 三) 体积效应。当纳米粒子的尺寸变小时，周期边界条件将破坏，即物理 化学性质发生突变。如果颗粒尺寸与传导电子的( 德布罗意) 波长相当或更小时： 金属微粒均失去原有的光泽而呈黑色( 光的吸收特性变化) ；磁性超微颗粒在尺 寸小到一定范围时，会失去铁磁性，而表现出顺磁性或超顺磁；非铁磁性也可转 化为铁磁性；铁电态变为顺电态、超导相向正常楣转变等。 ( 四) 宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。 ( 五) 界面相关效应。由于纳米结构材料中有大量的界面，与单晶材料相比， 纳米结构材料具有非常高的扩散率，它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响； 可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂，并可使不混溶金属形成新的合金相： 出现超强度、超硬度、超塑性等。 由于纳米材料的这些特性，将纳米材料引入水泥土的应用中，有望取得良好 的效果，从而拓宽纳米材料在建筑领域中的应用。 塑二童笪些一 1 5 水泥土加固机理 水泥浆( 或水泥粉) 通过机械搅拌与软土混合而提高土体的基本原理是基于 水泥土的一系列物理化学反应。 当水泥与土拌和以后，首先发生水泥的水解和水化反应。水泥矿物硅酸三钙、 硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等与软土中水发生反应，生成一系列 的水化产物：氢氧化钙( c a ( o h ) 2 ) 、水化硅酸钙( c s h