纳米树脂和养护期对土无侧限抗压强度的影响

摘要

本文介绍了在土中掺入不同比例的纳米石灰和5%的石灰，提高土的无侧限抗压强度。随着养护时间的延长，随着纳米石灰含量的增加，处理后土壤的单抗显著增加。当纳米石灰掺量仅为0.5%时，达到最佳效果，且纳米石灰掺量远高于5%石灰掺量。这可能是由于纳米石灰比石灰更能絮凝和凝聚土壤颗粒。此外，石灰只能填充微孔，而纳米石灰也可以填充微孔和纳米孔。强度增益与重塑含水率和固化时间成反比。然而，当所使用的纳米灰岩的含量大于0.5%时，纳米灰岩颗粒并不均匀分散。因此，会形成孔洞形式的薄弱区域，无法形成均匀的水化微结构，最终导致强度下降。

1.介绍

在岩土工程实践中，软土是一种常见的、广泛遇到的土。由于它的低强度和高压缩性，对岩土工程师构成了巨大的挑战，特别是在大城市地区。这种类型的地面在建筑工地并不总是适合支撑结构，如建筑物，桥梁，高速公路和大坝。为了克服这一问题，国内外已采用了几种方法来改善土的工程特性，如地基改良技术。这些技术被用来准备软土用于施工，现在已经变得更加普遍。

20世纪70、80年代，日本开发了外加剂加固土壤的技术。处理后的土强度、压缩系数、导水率均优于原始土[1]．使用石灰作为外加剂来改善软土地也长期被使用，如在古代中国和埃及[2]．

石灰已被发现是一种有效的稳定剂，它能显著改变土壤的特性，产生长期持久的强度和稳定性，特别是在水和霜的作用下[3.]．然而，以往石灰稳定粘性土的研究表明，少量石灰可显著改善工作性，但对强度的贡献不大，而大量石灰只能提高土的强度和承载力。在无侧限抗压强度的结果中，高岭石和蒙脱石粘土土在单独添加大量石灰时具有良好的稳定性，而白石-绿泥石粘土土则需要添加粉煤灰来获得显著的强度增益[4]．

2.岩土工程中的纳米技术

纳米技术是一项快速发展的技术，具有创造具有独特性能的新材料和生产新的和改进的产品的巨大潜力．在纳米尺度下，材料可以表现出不同于其本体状态的独特性质。纳米技术的成就也为岩土工程提供了一种现代方法。纳米技术可应用于岩土工程，研究纳米尺度的土壤结构，以加深对土壤性质的认识[5]．

近年来，纳米材料在工程研究中的应用引起了世界各国研究人员的兴趣。纳米粒子由于其晶体形式而被称为纳米晶体。从微粒子到纳米粒子的转变可以归因于物理性质的积极变化。这是因为表面积比的增加和体积的变化。由于纳米粒子的表面积很大，混合材料(如纳米复合材料)之间会发生很多相互作用，从而导致材料强度的增加[6]．

塔哈(7]提出了研究球磨后天然土及其产物混合物的基本岩土性质的室内试验。球磨后的产物称为纳米土。由98%的原始土壤和2%的纳米土壤组成的混合土壤的塑性极限和液体极限均高于100%的原始土壤。由于液体极限的增加小于塑性极限的增加，使得塑性指数降低，这对许多岩土工程具有优势。这些结果表明，少量的纳米颗粒或纳米土可以显著改善土壤的岩土性质。

纳米尺度的材料具有特定的化学和物理性质，与非常小的粒子相对于大量材料的物理和化学性质有关。相比之下，纳米尺寸比原始尺寸更具活性，是一种很好的催化剂。由于总表面积的增加，可以生产具有新用途的材料。因此，这些材料变得更加具有活性，适合改善粘土的性质，用于各种应用[7]．越来越多的研究和开发正在进行，使用纳米颗粒作为填料或添加剂，以达到各种期望的效果[8]．

纳米材料的有趣应用正在文化遗产保护中被发现。纳米树脂是一种新型的纳米产品。纳米石灰旨在克服传统石灰基材料的一些局限性，如难以实现完全碳化，同时保持其优势[9]．研究了在土壤中掺入不同比例的纳米石灰和5%的石灰对原土单抗的改善作用。最后，给出了在四个不同养护阶段提高土无侧限抗压强度的最佳纳米粒含量。

3.材料

3．1.原土性质

表中列出了从马来西亚Kebangsaan大学(UKM)丘陵地区收集的土壤的基本岩土性质和分类1．去除地表顶部0.5 m深度后，在浅层收集原始土壤。天然含水量为22.8%，最大干密度()及最佳含水量() 1.87 g/cm^3.和15.6%,分别。根据统一的土壤分类系统(USCS)，将被测土壤分类为CL组符号。土壤中不含砂砾。砂、粉砂和粘土的含量分别为57.5、22.5和20%。数字1显示了原始土壤的粒径分布。

3．2．土壤和添加剂的化学特性

石灰和纳米石灰是用于土壤改良的两种添加剂。石灰粉从当地市场采购。纳米石灰粉进口自美国马萨诸塞州纽伯里波特Mulliken Way的Strem Chemicals公司。用石灰作添加剂的x射线荧光(XRF)测试结果如表所示2对普通等级和纳米等级都适用。可以看出纳米石灰比石灰的纯度更高。两种等级的石灰中都含有大量的CaO，而石灰中MgO的含量为1.75%，而纳米石灰中MgO的含量为1.24%。表格3.介绍了原始土壤的化学成分，其中二氧化硅和氧化铝是主要成分，然后氧化铁是第三丰富的成分。

采用x射线衍射(XRD)测试分析了颗粒的晶粒尺寸。测试结果以强度与2的关系图的形式如图所示2．得到了半最大值时的全宽度(FWHM)和theta的值。这些数字被分析使用谢勒公式来测量石灰和纳米石灰的晶粒尺寸。

4.方法

4．1.试样制备

用于UCS测试的样品有原始土壤、混合石灰的土壤和混合纳米石灰的土壤。纳米石灰与土壤的混合比例分别为0.2%、0.3%、0.5%、0.8%和1%。在土壤中加入5%的石灰。这个量是研究土壤的初始石灰消耗(ILC)值，是根据pH测试确定的。干燥的原始土壤与石灰或纳米石灰比例混合，然后加入水。每个系列的混合物中分别加入12、14、16和18%的土壤干重含水量。在这种方法中，混合分为两个阶段进行。最初的混合是手工混合，将土壤数量分成10层，每层喷洒所需数量的添加剂。每一层单独混合，然后放入锅中，然后再用水平圆柱形搅拌机混合至少3小时[11]．在搅拌过程中，对罐内的干混合料进行所需的水喷洒。用于制备样品的水类型为蒸馏水。该程序被发现是获得均匀样品的最佳方法，因为均匀的颜色是在压实后获得的。

4．2．UCS测试

采用UCS试验测定原状土的强度，评价土-石灰和土-纳米石灰混合土的强度演变。本试验使用菌株控制机进行，使用BS 1377- 7:20 90。在本试验中，土壤-纳米石灰混合使用5%的土石灰和不同含量的纳米石灰，即0.2、0.3、0.5、0.8、1.0%干土质量。试样的重塑含水量分别为12、14、16和18%。混合后直接进行Proctor试验。

将直径为38毫米的圆柱形模具插入压实土壤中。然后，试件用液压挤出机从模具中挤出。标本的长度被修剪成直径的两倍。根据英国标准，允许比标准长度少8%，多12%的公差。采用保鲜膜对无侧限压缩试验的圆柱形试件进行养护，养护期分别为0、7、28和56天。

4．3．x射线荧光分析

XRF是固体和液体元素分析的一种无损方法。在这项技术中，样品被强烈的x射线束照射，引起荧光x射线的发射。发射的x射线由能量色散或波长色散探测器探测到。能量或波长被用来识别样品中存在的元素，而浓度(数量)是由x射线的强度决定的。对天然材料UKM土壤、石灰和纳米石灰进行XRF分析，获得其化学成分，并利用Bruker S4 Pioneer模型对预期反应物进行感知。土壤在425度研磨过筛μ进行x射线荧光分析。

4．4.x射线衍射(XRD)分析

采用德国卡尔斯鲁厄布鲁克AXS型D8 Advanced模型进行XRD分析。x射线源为Cu-Kα输入电压40kv，电流40ma。波长为0.15406 nm，步长为0.025°/0.1 s。

x射线衍射(XRD)是一种非常可靠和占优势的土壤和岩石矿物识别技术[12]．进行这种分析是为了识别化学反应和新产品的开发。当x射线与晶体物质相互作用时，就产生了确定的衍射图样。每一种晶体物质都有一种特定的模式，同样的物质总是产生同样的模式，在物质的混合物中，每一种物质都有其独立于其他物质的模式[13]．本研究利用x射线衍射分析，利用谢勒公式测定石灰和纳米石灰颗粒的晶粒尺寸。

4．5.场发射扫描电子显微镜

Supra 55VP Zeiss 2008 at CRIM, UKM, for FESEM测试用于分析未经处理和处理的土壤样品，观察土壤团聚体的变化和任何新材料的形成。首先，将相同百分比的石灰和纳米石灰按其各自的最佳含水率水平与含水率手动混合。将土石灰和纳米石灰混合物放入聚乙烯袋中，室温固化28天。然后将混合物在烤箱中烘干24小时然后在425℃研磨和筛分μ本研究通过FESEM揭示天然材料的形貌，并观察混合和养护后材料的形貌。通过分析，可以观察到土壤团聚体的变化和新材料的形成。由于FESEM显微镜使用的是电子而不是光，所以需要用FESEM观察的物体必须能够导电。因此，本研究中所有的样品都被涂上了一层非常薄的金。此外，通过对FESEM分析提供的图像进行分析，确定了石灰和纳米石灰的平均粒径。

5.结果和讨论

5．1.影响UCS

数据3.- - - - - -6分别显示不同含量的纳米石灰和5%石灰在养护期间的强度增益。纯土的UCS试验结果表明，对重塑含水率(）.虽然UCS的(16%)为183.67 kN/m²时，强度值开始时为138 kN/m²增加至157 kN/m²在降到74kn /m之前²在分别是12岁，14岁和18%。从初始含水量到最适含水量有一个急剧的增加。当含水量为18%时，UCS值急剧下降。土体强度随含水量的增加而降低可能与土体吸力的作用有关。土壤吸力在相邻颗粒之间形成半月板，形成颗粒间的粘接吸引法向力。这很可能是在最佳条件下的情况。当有额外的水可用时(含水量超过最佳水平的情况)，土壤吸力的吸引力导致土壤颗粒之间形成水，从而减少它们之间的摩擦。

纳米石灰和石灰混合后，土体强度随养护时间的增加而显著增加。强度增益与固化时间成正比。结果表明，增加添加剂的添加量，可提高复合材料的抗压强度。纳米石灰粒的混合更明显。混合物的UCS1天养护龄期后占16%，分别为184、393、405、485、325和241 kN/m²对于原始土壤，分别为0.2、0.3、0.5、0.8和1.0%的土壤-纳米石灰混合物和5%的土壤-石灰剂量。这些UCS值分别增长到184、615、660、685、491、289和559 kN/m²养护期为56天。

在相同的环境下，纳米石灰土显著增加了土壤-纳米石灰混合物的单抗;即纳米石灰混合料的强度高于石灰混合料的强度。这可能是由于纳米石灰比石灰更能絮凝和凝聚土壤颗粒。随着钙的有效利用，出现团聚和絮凝现象^＋２阳离子。离子交换机制可能发生在一价离子(Ca^＋２)与二价(钠⁺H⁺)离子导致排斥力的减少和桥接的粘土颗粒的负表面离子。这可能再次与纳米树脂的反应性和释放更多Ca的能力有关^＋２离子比石灰。纳米石灰的纯度高于石灰，如表所示2．

与天然土壤相比，Table4为56天养护期后土-石灰混合料UCS的改善百分比。根据重塑水含量和石灰或纳米石灰含量的不同，石灰混合物的改善率分别为320%以上和459%左右。这与养护期为0、7、14天至56天的养护期相比，提高了处理土的强度。

虽然所有土壤-纳米石灰混合物的抗压强度均随纳米石灰百分比的增加而增加，但纳米石灰百分比之间的抗压强度略有降低。随着纳米树脂含量从0.8%增加到1.0%，其含量降低。当所使用的纳米颗粒含量较大时，纳米颗粒分散不均匀。因此，一个以空隙的形式存在的薄弱区域被创造出来。因此，不能形成均匀的水化微结构，最终导致强度下降。

Arabani等人[14研究了不同纳米粘土掺量的水泥土在养护7、14、28 d时的单抗强度试验。纳米粘土比例为1%的水泥土抗压强度比对照高67%。随着纳米颗粒掺量从3 ~ 5%增加，14 d和28 d的抗压强度均降低。当纳米颗粒含量较大时，纳米颗粒分散不均匀。因此，形成了孔洞形式的薄弱区域，无法形成均匀的水化微结构，最终导致强度下降。当添加2%的纳米颗粒时，抗压强度的降低可能是由于过量的二氧化硅浸出造成的。

UCS的结果也可以与Kassim和Chem的研究结果进行比较[10)表5．在这项研究中，从马来西亚的不同地方收集了残留的酸性土壤。所得土壤经石灰处理，并进行不同时期的养护。Kassim和Chem的研究结果[10]为适宜石灰含量的土壤，养护期分别为28和56 d。将Jerangau粘土与3.0%石灰混合，并与0.5%纳米石灰与5%石灰混合进行对比。所有样品都是在最佳含水量下压实的。纯土(即Jerangau黏土和研究的原始土)的UCS几乎相同。

相对于28天和56天后，0.2%、0.3%和0.5%的土壤-纳米石灰混合物的UCS值有所增加(表2)6）.这一数值高于土-石灰混合时的5%。养护28 d后，土-5%石灰混合物的UCS增量为290%，土-0.5%纳米石灰混合物的UCS增量为342%。在56 d的养护期内，土-5%石灰混合料的UCS增量为327%，土-0.5%纳米石灰混合料的UCS增量为459%。

5.2。改进机制调查

纳米泥的加入使原土的孔隙率降低了28%，从下面的SEM图像中可以看出，纳米泥的加入使土壤颗粒形成絮凝和团聚。石灰显著降低了0.8%和1%的孔隙率。数据7(一)和7 (b)显示土壤和添加了石灰和纳米石灰的土壤的孔隙率。

此外，石灰只能填充微孔，而纳米石灰可以填充微孔和纳米孔。表格7分别通过FESEM和XRD测试得到石灰和纳米石灰的平均粒径和晶粒尺寸。石灰的平均粒径为7.20μM，而在21.03 nm处则小得多。通过XRD测试，利用Scherer公式计算数据，得到石灰的晶粒尺寸为75.44 nm，纳米石灰的晶粒尺寸为19.36 nm。这也证明了纳米石灰粒比石灰粒小得多。这进一步支持了纳米尺度的材料，相对于大量的材料来说，纳米尺度是非常小的粒子。纳米粒子由于表面积比的增加和体积的变化而产生物理性质的积极变化。纳米颗粒由于具有较大的表面积，因而具有较强的活性，适合于改善粘土的性质。这导致了土壤强度的增加。

5.3。对其分析

原始土壤的FESEM图像如图所示8．土壤颗粒之间的空隙清晰可见。数据9和10图中显示了混合0.5%纳米石灰的土壤的显微图像，它看起来像凝胶状颗粒的自组装或絮凝，而土壤与1%石灰的混合如图所示11和12看起来像链状的软而聚集的颗粒。可以看出，纳米石灰颗粒比石灰颗粒更容易团聚。这可能是因为纳米粒子之间形成了范德华力。这种形态在图中可以观察得更清楚11和图12其中，土石灰颗粒似乎是离散的小颗粒，有空隙，而土纳米石灰颗粒似乎是团聚在球状结构的细颗粒。

6.结论

即使在0.5%的用量下，纳米石灰对土壤的改良效果也优于石灰。由于纳米石灰具有较强的絮凝和团聚能力，随着纳米石灰添加量的增加，处理后土壤的单抗显著增加。强度增益与重塑含水率和固化时间成反比。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者要感谢马来西亚高等教育部(MOHE)、UKM岩土实验室、Pusat Pengurusan Penyelidikan dan Instrumentasi (CRIM)以及工作人员对本文的全力支持和指导。

参考文献

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