納米SiO₂改良黃土室內(nèi)試驗(yàn)研究

作者簡(jiǎn)介：黃維龍（1987—），工程師，主要從事道路工程研究工作。

摘要：文章研究了不同含量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間下納米SiO₂改良后黃土的力學(xué)、結(jié)構(gòu)和礦物學(xué)性質(zhì)的影響，且為了更好地了解改良機(jī)理，進(jìn)行了粒度分布、掃描電子顯微鏡（SEM）圖像分析。研究結(jié)果表明，由于黃土中摻入納米SiO₂，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨納米SiO₂含量和固化時(shí)間的增加而增加，且納米SiO₂與黃土混合會(huì)使黃土顆粒相互團(tuán)聚，導(dǎo)致孔隙率降低。此外，黃土微觀結(jié)構(gòu)的改變控制著力學(xué)性能的改變，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間一定時(shí)，即使是少量的納米SiO₂摻入也可以使黃土強(qiáng)度提高。

關(guān)鍵詞：納米SiO₂；黃土；改良；室內(nèi)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U414

0 引言

黃土是我國(guó)廣泛分布的地表沉積物，也是一種重要的工程材料，通常可以作為填充路堤的材料^［1］。但由于黃土具有大孔隙及垂直節(jié)理結(jié)構(gòu)，易使黃土在垂直荷載作用及潤(rùn)濕后產(chǎn)生坍塌和不均勻沉降，對(duì)當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施造成一定的損失，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展^［2-3］。因此，黃土需要通過(guò)各種改良方法進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步解決黃土濕陷性及不均勻沉降等問(wèn)題。針對(duì)黃土改良材料已有大量研究，但其中大部分研究工作都集中在傳統(tǒng)化學(xué)改良材料上，如石灰、粉煤灰和水泥等材料用于改良黃土力學(xué)性能^［4］。總體而言，這些化學(xué)改良材料會(huì)與黃土發(fā)生化學(xué)及物理反應(yīng)，從而降低黃土含水率并增加土體密度。因此，上述化學(xué)改良材料可以有效提高黃土強(qiáng)度，降低黃土濕陷性^［5］。然而，上述化學(xué)改良材料也會(huì)在處理過(guò)的黃土中產(chǎn)生一些化學(xué)變化，通常會(huì)導(dǎo)致pH值增加，進(jìn)而對(duì)土壤及地下水造成一定污染。因此，亟須新材料替代化學(xué)改良材料。

目前，納米顆粒已被研究作為土壤改良的替代改良材料，以取代傳統(tǒng)的化學(xué)改良材料，且納米顆粒在實(shí)際工程中的總成本可能低于傳統(tǒng)的化學(xué)改良材料，如混凝土和石灰^［6］。因此，納米顆粒具有更大的優(yōu)勢(shì)和潛力。此外，納米顆粒的潛在優(yōu)勢(shì)將是土壤改良中較有前景的改良材料。然而，使用納米顆粒作為土壤改良材料仍然不常見(jiàn)。到目前為止，很少有人嘗試使用納米顆粒改良材料來(lái)處理黃土。

鑒于此，本文通過(guò)研究不同納米SiO₂含量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)黃土的力學(xué)、礦物學(xué)和結(jié)構(gòu)特性的影響，同時(shí)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、粒徑分布、SEM圖像和XRD進(jìn)行測(cè)試。本研究旨在了解納米SiO₂改良黃土機(jī)理，探討宏觀力學(xué)與微觀特征之間的復(fù)雜關(guān)系。研究結(jié)果可為納米SiO₂改良黃土提供參考依據(jù)，且可對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用的樣品是從蘭州采集的第四紀(jì)馬蘭黃土。黃土的粒度曲線如圖1所示，主要由粉土（約91.3%）和少量黏土和砂（約8.7%）組成，其平均粒徑為0.034 mm，均勻系數(shù)為3.5，且黃土具有低塑性。表1列出了黃土的一些物理性質(zhì)。納米SiO₂的平均粒徑為30 μm，密度＜0.15 g/cm³，SiO₂含量＞99.8%，表面積為300 m²/g，呈白色粉末狀。

1.2 試樣制備

黃土首先在約20 ℃的室溫下風(fēng)干，然后通過(guò)孔徑為0.5 mm的篩子，并將蒸餾水加入到干黃土中。之后將樣品密封并在室溫下儲(chǔ)存12 h，確保水分均勻分布，以便進(jìn)行后續(xù)樣品制備。

納米SiO₂的含量分別占黃土總干重的0.2%、0.4%、0.8%、1.0%、1.5%和2.0%。將混合土樣放置在直徑50 mm，高100 mm的鋼筒中。在液壓千斤頂和鋼支架的幫助下，使用靜態(tài)壓實(shí)方法制備圓柱形樣品。為了獲得均勻的密度，將樣品分五層放置，使黃土最大干密度達(dá)到1.68 g·cm³。用塑料薄膜密封圓柱形樣品，在室溫下分別養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d和60 d。

1.3 試驗(yàn)方法

為了獲得未經(jīng)改良黃土和經(jīng)納米SiO₂改良的黃土的力學(xué)性能，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的養(yǎng)護(hù)后，將圓柱形樣品放置在最大承載能力為100 kN的三軸儀上，并以0.1 mm/min的恒速率壓縮試樣。在所有試驗(yàn)過(guò)程中，將光滑的有機(jī)玻璃板放置在每個(gè)試樣的底部，以降低末端效應(yīng)。為了防止單一測(cè)試黃土試樣的誤差，對(duì)黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）進(jìn)行三次重復(fù)測(cè)試。重復(fù)樣本的平均值用于數(shù)據(jù)分析。抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后，收集斷裂樣品進(jìn)行SEM分析。微觀測(cè)試試驗(yàn)使用Microtrac S3500激光衍射儀測(cè)定黃土試樣的宏觀粒度分布。用JSM-5600LV掃描電子顯微鏡（SEM）觀察金粉金屬化后粉末樣品的微觀形貌和微觀尺寸。

納米SiO₂改良黃土室內(nèi)試驗(yàn)研究/黃維龍

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度-應(yīng)變曲線

圖2為不同摻量納米SiO₂黃土在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度-應(yīng)變曲線。

由圖2可知，即使在納米SiO₂摻量很低的情況下，在不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，所有納米SiO₂處理后的重塑黃土強(qiáng)度都有所增加。然而，在本研究中，納米SiO₂含量對(duì)黃土力學(xué)強(qiáng)度的影響在短期（即7 d和14 d）和長(zhǎng)期（即28 d和60 d）養(yǎng)護(hù)時(shí)間上存在明顯差異。在短期養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，重塑黃土峰后應(yīng)力隨應(yīng)變逐漸減小，在納米SiO₂含量＞2%時(shí)與未處理試樣表現(xiàn)出類似的規(guī)律;當(dāng)納米SiO₂含量為1%時(shí)，峰值應(yīng)力顯著增加，如圖2（a）～（b）所示。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，如圖2（c）～（d）所示，所有處理后的重塑黃土都比未處理的黃土脆性明顯提高。同時(shí)，在應(yīng)力峰值后出現(xiàn)快速下降，主要是由于黃土亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的坍塌破壞。由此可見(jiàn)，納米SiO₂的加入使其峰值應(yīng)力顯著增加;對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變從1.5%下降到約1%，如圖2（c）～（d）所示。

2.2 粒徑曲線變化

下頁(yè)圖3為不同納米SiO₂摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間下黃土的粒徑分布曲線。為了更清晰地觀察粒徑的變化，本文使用線性橫坐標(biāo)，而非對(duì)數(shù)橫坐標(biāo)^［7］。由圖3可知，隨著納米SiO₂摻量的增加，粒徑分布曲線呈現(xiàn)出粒徑不斷增大的趨勢(shì)。然而，在大顆粒發(fā)育過(guò)程中，在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下仍可觀察到差異。在一定的納米SiO₂摻量下，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越短，形成的顆粒越大。大顆粒的發(fā)育程度僅在養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)略有下降。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到60 d時(shí)，所有納米SiO₂處理后的黃土的粒徑分布曲線都與未處理黃土的粒徑分布曲線非常接近，表明隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，大顆粒的發(fā)育變?nèi)酢?/p>

2.3 粒徑頻率分布曲線

下頁(yè)圖4為不同納米SiO₂摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間下黃土粒徑頻率分布曲線。由圖4可知，45 μm的粒徑是一個(gè)臨界邊界。在邊界之前（即30～45 μm），隨著納米SiO₂摻量的增加，重塑黃土的細(xì)粒徑百分比逐漸減小。當(dāng)超過(guò)邊界（即45～60 μm）時(shí)，隨著納米SiO₂摻量的增加，重塑黃土的粗粒度百分比逐漸增大。此外，納米SiO₂改良后的黃土粒徑分布峰值略有向粗粒徑側(cè)移動(dòng)。這些變化表明，與未經(jīng)改良的黃土相比，經(jīng)納米SiO₂處理的黃土粒徑變大。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)

下頁(yè)圖5為養(yǎng)護(hù)7 d后，納米SiO₂摻量為0.4%、1.0%和2.0%與未處理黃土的SEM圖像。圖5（a）～（c）的放大系數(shù)分別為500、1 000和4 500。未改良和改良黃土的兩個(gè)低倍SEM圖像顯示如圖5（a）～（b）所示，納米SiO₂與黃土混合后在一定養(yǎng)護(hù)周期下，隨著納米SiO₂摻量的增加而導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)演變。低納米SiO₂含量的摻入首先會(huì)在顆粒或團(tuán)聚體之間的孔隙中產(chǎn)生膠凝物質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致重塑黃土孔隙率降低，密度增加。為數(shù)不多的納米SiO₂顆粒主要粘附在土壤顆粒表面^［8］，加強(qiáng)了粘結(jié)，同時(shí)也填充了顆粒之間的孔隙，產(chǎn)生一種橋梁效應(yīng)，將土壤顆粒連接在一起。隨著納米SiO₂摻量的進(jìn)一步增加，重塑黃土產(chǎn)生了明顯的團(tuán)聚效應(yīng)，進(jìn)而形成較大的團(tuán)聚體，使顆粒間接觸面

積減少，且納米SiO₂與黃土顆粒相互鑲嵌在一起，交錯(cuò)生長(zhǎng)，孔隙間隙進(jìn)一步減小，使黃土結(jié)構(gòu)變得更加致密。當(dāng)納米二氧化硅含量很高時(shí)，重塑黃土呈現(xiàn)松散堆積和較大孔隙的狀態(tài)^［9］。

高倍率SEM圖像表明，納米SiO₂摻入對(duì)處理后的黃土形成了包覆作用，且對(duì)納米SiO₂摻量非常高的黃土更為明顯，如圖5（c）所示。本質(zhì)上，納米SiO₂包覆對(duì)改良后的黃土的影響在結(jié)構(gòu)變化中起到了雙重作用：一方面包覆作用導(dǎo)致了更粗的粒徑發(fā)展，粒徑分布結(jié)果證明了這一點(diǎn)（如圖3和圖4所示）;另一個(gè)衍生效應(yīng)是涂層抑制了顆粒或聚集物之間的接觸。

2.5 討論

以上結(jié)果表明，納米SiO₂的加入能顯著改變黃土的物理性質(zhì)。隨著納米SiO₂摻量的增加，在不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，納米SiO₂改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈非線性增加。這主要是由于水分和體積的減少進(jìn)而導(dǎo)致納米SiO₂改良黃土力學(xué)強(qiáng)度的提高。粒徑分布和SEM圖像的結(jié)果表明，納米SiO₂改良黃土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的改變，納米SiO₂的摻入會(huì)導(dǎo)致顆粒更粗，土骨架更密，進(jìn)而產(chǎn)生較低的孔隙率。養(yǎng)護(hù)28 d后，顆粒尺寸和孔徑也有相似的變化趨勢(shì)。這意味著隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，大顆粒和納米SiO₂填充效應(yīng)變?nèi)酢?/p>

同時(shí)可觀察到改良黃土的宏觀力學(xué)行為（如強(qiáng)度、密度和含水量）與微觀特征之間存在密切關(guān)系。SEM圖像結(jié)果證實(shí)，納米SiO₂顆粒的摻入促使多孔區(qū)域的填充和更大團(tuán)聚體的形成，從而導(dǎo)致更大的顆粒尺寸和更多的顆粒間接觸。在某種程度上，納米SiO₂顆粒本身也有利于聚集形成，這種凝聚效應(yīng)可歸因于納米SiO₂顆粒的大表面積和高表面活性。因此，納米SiO₂改良黃土產(chǎn)生了更高的力學(xué)強(qiáng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了不同含量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的納米SiO₂改良黃土的力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)特性的變化。結(jié)果表明，納米SiO₂可作為一種經(jīng)濟(jì)有效的黃土改良材料。同時(shí)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，納米SiO₂處理的黃土強(qiáng)度得到有效提高。此外，微觀特征與宏觀行為之間存在密切關(guān)系，黃土的宏觀行為在很大程度上取決于其微觀特征。因此，這種聯(lián)系有助于理解納米SiO₂對(duì)黃土特性的影響及其復(fù)雜的相互作用。納米SiO₂改良黃土的力學(xué)強(qiáng)度隨著摻量的增加和養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸提高，力學(xué)強(qiáng)度的累積增加可歸因于納米SiO₂使黃土中的顆粒更大、填充更密和孔隙率更小。

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收稿日期：2023-04-16