CN103669332B - 一种具有高无侧限抗压强度的土料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高无侧限抗压强度的土料，所述土料包括混合土和水，所述水的重量为混合土重量的8.2%‑18.8%，其中混合土包括如下组分：纳米三氧化二铝1‑6%、干土94‑99%，以上百分数均为质量百分数。本发明通过在干土中混合一定质量的纳米三氧化二铝，有效的提高土的工程性质，有效增加了土料的无侧限抗压强度。

Description

一种具有高无侧限抗压强度的土料

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种具有高无侧限抗压强度的土料。

背景技术

到目前为止，提高土的强度的方法主要有：夯实法，物理提高法，化学提高法，生物提高法。

(1)夯实法是将土压实到所要求的密度。夯实法费用低，但是有一定的试用性限制，它难以满足大型工程对地基强度的需要。

(2)物理提高法包括桩基础，土钉墙，加土工织物和向土中掺入砂砾石改变土的级配等方法。物理提高法施工简单，但施工条件、试用范围有限。

(3)化学提高法是向土中掺离子土壤固化剂、复合型固化剂2大类型。离子土壤固化剂与土相互作用，将粘土矿物内部吸附水去除，使土由亲水性变成憎水性，在常规压实机械碾压后，能有效地改进土的工程性质；复合型土固化剂是指采用两种或两种以上化学物质按一定比例配合，形成一种新型土固化材料，改善土的物理力学性质，提高土的强度。

(4)生物提高法就是利用生物表面活性剂附着在粘土矿物的表面上可以使粘土矿物表面疏水化，降低液面张力，破环矿物表面水化膜或使之变薄，从而使粒间粘结力变大，土的抗剪强度提高。

(5)既有物理提高又有化学提高是指向土中掺无机结合材料，无机结合料是一种传统的固化材料，包括水泥、石灰和粉煤灰等，它们可单独使用，也可按一定的比例混合使用，通过水解和水化反应、离子交换和团粒化作用，改善土的工程性质。

归结以上5种方法土体强度的增长主要分为结构性改造和改性两大类，其中，改性方法中比较成熟的常用方法为石灰、水泥改良，这两种方法都是利用硅酸盐和铝的水化物与土颗粒相互间的胶结作用，随着胶结物逐渐脱水和新生矿物的结晶作用，形成胶凝成分来胶结土壤、堵塞土壤的毛细结构，从而降低液限，增大土体的强度。但是水泥加固土受土类别限制，对塑性指数高的粘土、有机土及盐渍土等土类，加固效果不理想；石灰土强度发展缓慢且水稳性相对较差，石灰固化体的强度与石灰的掺入比在一定范围内成正比，若掺量超出某一范围，加固土的强度反而降低；石灰粉煤灰加固土早强性差，直接影响施工进度及质量。为了满足现代工程对地基强度日益增长的需求，国内外学者从不同途径提出了大量添加剂的方法。

纳米材料是指颗粒尺寸在纳米量级(1nm～100nm)的超细材料，由于其小尺寸而具有特殊的结构特征，并产生了四大效应：尺寸效应、量子效应(宏观量子隧道效应)、表面效应和界面效应，使之成为当今材料科学领域研究的热点，被科学家们誉为“21世纪最有前途的材料”。但是目前利用纳米材料提高土体强度的研究成果相对较少，纳米氧化物对土体改性的研究则更少，对其加固机理尚不清晰，且对土样含水量和纳米材料掺量对改性效果的影响尚不清楚，因此开展纳米材料改性土的研究显得尤为重要。

纳米三氧化二铝（简称NA）作为纳米氧化物的一种,其基本参数为，比表面积（8±5）m²／g，平均粒径为30nm，质量分数大于99.99％，对其研究工程应用意义重大，成果可为纳米氧化物更好地应用于土改性研究提供工程参考价值。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了加固效果理想，制备简单方便的具有高无侧限抗压强度的土料。

技术方案：本发明提供一种具有高无侧限抗压强度的土料，其特征在于：所述土料包括混合土和水，所述水的重量为混合土重量的8.2%-18.8%，其中混合土包括如下组分：纳米三氧化二铝1-6%、干土94-99%，以上百分数均为质量百分数。

进一步，所述加入的纳米三氧化二铝优选为4%，因为这样土料的无侧限抗压强度提高非常显著。

进一步，所述纳米三氧化二铝的比表面积（8±5）m²／g，平均粒径为30n m，质量分数大于99.99％。

工作原理：本发明在干土中加入一定质量的NA，由于NA的颗粒细小，表面晶格结构不同于常规结构，表面原子数增多，部分Al-O键出现断裂，具有残键，故其具有一定的化学活性。NA能改变土颗粒之间的键合作用，形成粘土颗粒之间的新的胶结，从而减少粘土的孔隙数量和尺寸，能够将较大的土团粒进一步结合起来，并封闭各团粒之间的孔隙，形成整体联结，这种粘土微观结构的改善能提高土体的力学性能和耐久性，但这种结构致密的硬化体的强度主要来源于结构的粘结，本身的刚性较大，表现为刚度和脆性的增大。

而且NA具有很高的亲水性，其比表面积大约8m²/g，因而产生很大的表面能，有强烈的吸附活性，NA能够吸附土中的自由水，使其成为颗粒表面的吸附水，这种吸附作用有利于土体强度的提高。

由于NA材料的平均粒径30nm，掺入湿土中的NA具有物理填充效应，这对减少土颗粒间的孔隙数量和尺寸，以及提高土体的结构强度有一定作用。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过在干土中混合一定质量的纳米三氧化二铝，有效的提高土的工程性质，有效增加了土料的无侧限抗压强度。

附图说明

图1为试验样品S1-S6的轴向应力实验图；

图2为试验样品S7-S12的轴向应力实验图；

图3为试验样品S13-S18的轴向应力实验图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

试验所采用的NA为宣城晶瑞新材料有限公司生产，基本参数为：NA呈白色末状，比表面积（8±5）m²／g，平均粒径为30nm，质量分数大于99.99％，PH值为7-8。

采用本发明制备高无侧限抗压强度的土料的方法，步骤为：

步骤1，取6份相同质量的干土，将6份NA分别加入到干土中并均匀混合，其中6份加入的NA的质量分别占混合后土料总质量的0%、1%、2%、3%、4%、6%；其中干土是指含水率在5%以内的土，可以将取自南京有代表性的软土地区地下2m左右的土在105-110℃恒温下静置8小时即可获得，其主要矿物成分为高岭石、伊利石和蒙脱石三类，采用的土的物理学性质如表1所示。

表1

步骤2，通过《公路土工试验规程》（JTJ E40-2007）中的轻型击实试验确定第一步得到的混合土的最佳含水率范围为8.2%-18.8%；

将步骤1中获得的6份混合土料每份平均分成三份，分别在里面加入10%、16%和22%的水后进行后续的步骤；每一份土料中的含水量和NA参量如表2所示。

表3

步骤3，通过翻晒和加水的办法使得每一份土料的含水量保持在表2中对应的含水率，拌合均匀后，在保湿器中静置24小时，这样就可以得到经过NA改良后的混合土料。取出每份土料复测其中的含水率，若实测含水率与要求值的差值在1%以内，则符合要求；否则重新制备。

对每份混合土料进行无侧限强度的试验，其试验步骤为：

步骤a：采用压样法将上述方法中每一份土料中取出一部分制作成圆柱形试验样品，每个试验样品均高80mm，横截面直径为39.1mm，试验样品成型后用塑料薄膜密封装好置于常温养护箱内养护7天，其中所述常温护养箱内的温度为（20±1）℃，相对湿度为（96±2）％；

步骤b：先将试验样品装入饱和器中，然后将饱和器置于抽气缸内并盖紧后抽气。当抽气缸内真空度达到接近一个大气压(98%以上)后，继续抽气1小时，然后向缸内徐徐注入清水，并使真空度保持稳定。待饱和器完全淹没水中后，解除真空，让试验样品在抽气缸中静置24小时；

步骤c：对经过步骤b后的试验样品做无侧限抗压试验，实验仪器为南京土壤仪器厂生产的YYW－2型应变控制无侧限抗压仪，据土工试验方法标准（GB/T50123－1999），控制加载速量为2.4mm/min，直到土样破坏。

实验结果如表3所示，按照《公路土工试验规程》所做的无侧限抗压强度试验（简称：UCS），对于含水量分别为10%、16%和22%的混合土料，NA掺量的增大显著增强了土样的强度，最高增强比例可达195.9%。相同含水量的土试样随着NA掺量的增加，无侧限抗压强度试验值（简称：UCS值）增大，其中含水量为10%的试样的强度明显高于含水量为22%的试样，含水量为10%的试样强度的变化率也很显著；在掺量4%的情况下，试样的强度提高非常显著，NA掺量6%的试样较NA掺量4%的试样强度增长缓慢。由此可知经过改良后的混合土料的无侧限抗压强度明显增强，在一定程度上能够弥补现代工程对地基强度日益增长的需求的不足。如图1～3所示，混合土料的轴向应力随着NA的增加而增加，NA掺量高的混合土料样品的应力应变曲线位于NA掺量低的混合土料样品的应力应变曲线上方。混合土料的应力-应变曲线在初始阶段往往表现为非线性,在初始非线性阶段以后，应力-应变关系可近似于直线，且混合土料强度较大时，其应力-应变关系的直线段斜率并不大。

表3

实施例1

混合土配制，以配制150g的混合土料为例。混合土料的制备步骤如下:(1)干土的质量为144g，按NA掺量为4%的比例称取所需的NA的质量为6g；(2)混合均匀后，由《公路土工试验规程》中轻型击实试验中得到的最佳含水率为16%，将150gx0.16=24g水加入到该混合土中，拌合均匀防止形成疙瘩，在保湿器中静置24小时即得到NA改性混合土料。

对制备成的混合土料的试验步骤为：

第一步，采用压样法制备圆柱状试验样品，样品高80mm，横截面直径为39.1mm，试样成型后用塑料薄膜密封装好置于常温养护箱内((20±1)℃，（96±2）％相对湿度）养护7天；

第二步，将试样装入饱和器，置于抽气缸内盖紧后抽气。当抽气缸内真空度达到接近一个大气压(98%以上)后，继续抽气1小时，然后向缸内徐徐注入清水，并使真空度保持稳定。待饱和器完全淹没水中后，解除真空，让试样在抽气缸中静置24小时；

第三步，做无侧限抗压试验，实验仪器为南京土壤仪器厂生产的YYW－2型应变控制无侧限抗压仪，据土工试验方法标准（GB/T50123－1999），控制加载速量为2.4mm/min，直到土样破坏，记录相应的应力应变值。

Claims (1)

1.一种具有高无侧限抗压强度的土料，其特征在于：所述土料包括混合土和水，所述水的重量为混合土重量的8.2%-18.8%，其中混合土包括如下组分：纳米三氧化二铝4%、干土96%，以上百分数均为质量百分数；所述纳米三氧化二铝的比表面积（8±5）m²／g，平均粒径为30 n m，质量分数大于99.99％，；所述干土是指含水率在5%以内的土，取地下2m的土在105-110°C恒温下静置8小时获得，所述干土包括矿物成分为高岭石、伊利石和蒙脱石；所述土料是通过将混合后的土和水用塑料薄膜密封装好置于常温养护箱内养护7天，其中，常温养护箱内(20 ±1)℃，（96±2）％相对湿度；然后将其装入饱和器，置于抽气缸内盖紧后抽气；当抽气缸内真空度达到接近一个大气压后，继续抽气1小时，然后向缸内徐徐注入清水，并使真空度保持稳定，待饱和器完全淹没水中后，解除真空，让其在抽气缸中静置24小时的方法制备出的土料。