CN111790749A - 一种使用新型工程材料纳米石墨粉改良膨胀土的方法 - Google Patents

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李佳明
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Abstract

本发明涉及岩土工程技术领域，公开了一种使用新型工程材料纳米石墨粉改良膨胀土的方法。以轴向应力为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制轴向应力与轴向应变关系曲线；取曲线上最大轴向应力作为无侧限抗压强度，当曲线上峰值不明显时，取轴向应变15％所对应的轴向应力作为改良土的无侧限抗压强度。有益效果：本发明所述的使用新型工程材料纳米石墨粉改良膨胀土的方法选用纳米石墨粉对膨胀土进行改良，探索纳米石墨粉对膨胀土强度特性的影响规律，并确定不同干密度下纳米石墨粉的最优掺量，分析未知土体干密度情况下纳米石墨粉的最优掺量。为纳米材料在岩土工程上的应用和新型材料的探索提供了一个深入的了解。

Description

一种使用新型工程材料纳米石墨粉改良膨胀土的方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种使用新型工程材料纳米石墨粉改良膨胀土的方法。
背景技术
膨胀土是一种由强亲水性黏土矿物组成的高塑性黏土，在世界许多地区都普遍存在，尤其是在干旱和半干旱气候地区。膨胀土具有多裂隙性、超固结性和强度衰减以及吸水膨胀、失水收缩等工程特性，季节性含水量变化使其发生周期性体积膨胀、收缩，这种现象容易引起路基变形、边坡失稳、建筑物开裂等工程灾害，与膨胀土有关问题所造成的损失是洪水、地震和龙卷风等自然灾害所造成的平均总损失的两倍以上，因此探究膨胀土的改良材料十分必要。
土体的稳定剂分为传统稳定剂和非传统稳定剂两大类，通常传统的稳定剂包括水泥、石灰、粉煤灰、石膏和工业废料等。已有研究表明，传统土壤改良剂在实际工程使用中存在成本高、改良效果差、易开裂、强度增长缓慢、水稳性较差、环境污染等一系列问题。近年来，随着新材料技术的发展，开始选择纳米材料作为土体的新型改良剂，但由于在各种原因这些纳米材料还未在工程中得到实际应用，其掺量也对新型改良剂的使用效果有着巨大的影响，因此要将新型改良剂在工程中得到实际应用，寻求纳米材料在新型改良剂中的最优掺量也是至关重要的。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种使用新型工程材料纳米石墨粉改良膨胀土的方法，该方法使用新型材料纳米石墨粉对膨胀土进行改良，获取最优掺量，增强了膨胀土的强度。
技术方案如下：
一种使用新型工程材料纳米石墨粉改良膨胀土的方法，步骤如下：
S1、将取回的膨胀土土样风干、碾碎，过2mm筛，用烘干箱在105～110℃温度下烘干至恒重，将纳米石墨粉掺入膨胀土土样中搅拌均匀，配置不同质量分数的土样，装入塑料袋密封备用；
S2、取纳米石墨粉掺量为0％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％的改良土样喷水至最优含水率20.95％，然后密封放置24h；
S3、分别称取质量174.17g、185.78g、197.39g的土样在击样器内分6层击实，制取直径39.1mm、高80mm的圆柱试样，干密度分别为1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3，然后进行饱和；
S4、将试样两端抹一薄层凡士林，然后把试样放在无侧限压缩仪的底座上，使底座缓慢上升，试样与加压板刚好接触，将测力计读数调零，最后加压直至试样破坏；
S5、根据式1～3计算改良土的轴向应变和轴向应力，以轴向应力为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制轴向应力与轴向应变关系曲线；取曲线上最大轴向应力作为无侧限抗压强度，当曲线上峰值不明显时，取轴向应变15％所对应的轴向应力作为改良土的无侧限抗压强度，
轴向应变计算公式：
Figure BDA0002607576170000021
试样面积的校正计算公式：
Figure BDA0002607576170000022
试样所受的轴向应力计算公式：
Figure BDA0002607576170000023
式中：ε1表示轴向应变(％)，Δh表示轴向变形(cm)，h0表示初始高度(cm)，Aα表示试样校正后的面积(cm2)，A0表示初始面积(cm2)，σ表示轴向应力(kPa)，C表示仪器校正系数，R表示百分表读数，10为单位换算系数。
有益效果：
本发明所述的使用新型工程材料纳米石墨粉改良膨胀土的方法选用纳米石墨粉对膨胀土进行改良，探索纳米石墨粉对膨胀土强度特性的影响规律，并确定不同干密度下纳米石墨粉的最优掺量，分析未知土体干密度情况下纳米石墨粉的最优掺量。为纳米材料在岩土工程上的应用和新型材料的探索提供了一个深入的了解。
本发明还具有以下特点：
1、使用新型材料纳米石墨粉对膨胀土进行改良，增强了膨胀土的强度；
2、确定了膨胀土干密度为1.5g/cm3、1.6g/cm3和1.7g/cm3时，纳米石墨粉的最优掺量分别为1.519％、1.526％和1.306％；
3、在不确定膨胀土干密度时，纳米石墨粉改良膨胀土的最优掺量为1.450％。
附图说明
图1为本发明无侧限压缩仪结构示意图；
图2为本发明干密度为1.5g/cm3时的轴向应力与轴向应变关系曲线图；
图3为本发明干密度为1.6g/cm3时的轴向应力与轴向应变关系曲线图；
图4为本发明干密度为1.7g/cm3时的轴向应力与轴向应变关系曲线图；
图5为本发明改良土的抗压强度示意图；
图中附图标记如下：1-轴向加荷架；2-轴向测力计；3-土试样；4-上、下传压板；5-手轮；6-升降板；7-轴向位移计。
具体实施方式
下面结合附图1-5对使用新型工程材料纳米石墨粉改良膨胀土的方法做进一步说明。
试验材料
试验采用膨胀土的基本物理力学性质见表1。膨胀土的矿物成分为67.13％的石英(Quartz)、30.27％的方解石(Calcite)和2.6％的蒙脱石(montmorillonite)。
表1膨胀土基本物理力学性质
Figure BDA0002607576170000031
纳米石墨粉来自中国南京先丰纳米材料科技有限公司，其纯度为99.9％，片径分布为3-6um，厚度小于40nm，松装密度0.157g/ml，振实密度为0.252g/ml，主要有高导电性能、高润滑、高吸附性及催化性等特性，应用于化工行业、航天航空、钢铁润滑、润滑油等领域。
试验方案
根据土工试验方法标准，将取回的膨胀土土样风干、碾碎，过2mm筛，用烘干箱在105～110℃温度下烘干至恒重，将纳米石墨粉掺入膨胀土土样中搅拌均匀，配置不同质量分数的土样，装入塑料袋密封备用。
取纳米石墨粉掺量为0％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％的改良土样喷水至最优含水率20.95％，然后密封放置24h。分别称取质量174.17g、185.78g、197.39g的土样在击样器内分6层击实，制取直径39.1mm、高80mm的圆柱试样，干密度分别为1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3，然后进行饱和。将试样两端抹一薄层凡士林，然后把试样放在无侧限压缩仪的底座上，使底座缓慢上升，试样与加压板刚好接触，将测力计读数调零，最后加压直至试样破坏。
无侧限压缩仪由测力计、加压框架、升降设备组成。如图1所示。
试验结果
试验结束后，根据式1～3计算改良土的轴向应变和轴向应力，以轴向应力为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制轴向应力与轴向应变关系曲线，如图2所示。取曲线上最大轴向应力作为无侧限抗压强度，当曲线上峰值不明显时，取轴向应变15％所对应的轴向应力作为改良土的无侧限抗压强度，改良土的抗压强度随纳米石墨粉掺量变化的拟合曲线如图3所示。
轴向应变计算公式：
Figure BDA0002607576170000041
试样面积的校正计算公式：
Figure BDA0002607576170000042
试样所受的轴向应力计算公式：
Figure BDA0002607576170000043
式中：ε1表示轴向应变(％)，Δh表示轴向变形(cm)，h0表示初始高度(cm)，Aα表示试样校正后的面积(cm2)，A0表示初始面积(cm2)，σ表示轴向应力(kPa)，C表示仪器校正系数，R表示百分表读数，10为单位换算系数。
根据图2可以看出，膨胀土的无侧限抗压强度曲线呈弱应变软化型，轴向应力达到峰值强度以后随应变增加而缓慢下降，而改良土的无侧限抗压强度曲线呈强应变软化型，轴向应力达到峰值强度以后随应变增加而迅速降低。取峰值强度作为土样的无侧限抗压强度值，掺加纳米石墨粉后膨胀土的无侧限抗压强度明显提高，干密度1.5g/cm3和1.6g/cm3时，掺加1.5％的抗压强度最大，分别增加了136.544％、67.459％，干密度1.7g/cm3时，掺加1.0％的抗压强度最大，增加了41.054％。随着干密度的增加，不同纳米石墨粉掺量的土体峰值强度差值逐渐减小，即干密度越大纳米石墨粉对膨胀土抗压强度的增强效果越弱。此外，在应变达到20％时膨胀土的强度基本大于掺加纳米石墨粉后的膨胀土，说明加入纳米石墨粉提高了膨胀土的脆性，破坏后强度迅速降低，而膨胀土属于塑性更强，土体更软，破坏后的残余强度主要由摩擦力提供，应力应变曲线与土样的破坏形式相对应。
根据图3可以看出，膨胀土的抗压强度随纳米石墨粉的掺量增加呈EXP(exponential)指数变化规律，干密度与抗压强度成正比例关系。随着纳米石墨粉掺量的增加，抗剪强度先增加后减小，干密度为1.5g/cm3时，掺量x＝1.519％，抗压强度ymax＝271.239kPa；干密度为1.6g/cm3时，掺量x＝1.526％，抗压强度ymax＝331.292kPa；干密度为1.7g/cm3时，掺量x＝1.306％，抗压强度ymax＝444.522kPa。当不确定膨胀土的干密度时，取三种干密度的最优掺量的平均值1.450％作为纳米石墨粉改良膨胀土的最终最优掺量。在最优掺量1.450％时，膨胀土在干密度1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3的抗压强度依次为270.697kPa、330.961kPa、442.748kPa，分别增加了127.773％、59.132％、41.821％。
掺加纳米石墨粉后膨胀土的抗压强度增加，主要因为纳米石墨粉具有强吸附性、大比表面积、更多的官能团。加入加纳米石墨粉后，膨胀土的比表面积增加，化学键合增加了纳米石墨粉与膨胀土之间的胶结，进而增强了土颗粒间的联结，使土颗粒骨架更加稳定，土体的强度也得到了增强。
此外，对比图2发现，干密度增加后，纳米石墨粉对膨胀土的抗压强度影响减小，可能因为干密度越大土颗粒间距越小，土颗粒间摩擦力、咬合力较大，所以纳米石墨粉对土颗粒的作用越小。所以当干密度较大时，纳米石墨粉对膨胀土的改良效果会受到一定的限制。
在图3中抗压强度随纳米石墨粉掺量先增加后减小，减小的原因可能是纳米石墨粉的润滑性引起的，当纳米石墨粉含量较多时，可能在土颗粒间联结成小的润滑面，减小土颗粒间的摩擦力，导致土体强度降低。
本发明主要创新点是使用新型工程材料纳米石墨粉对膨胀土进行改良，增强膨胀土的力学强度。在不同干密度条件下，拟合不同掺量纳米石墨粉与无侧限抗压强度的关系模型，推导出纳米石墨粉的最优掺量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种使用新型工程材料纳米石墨粉改良膨胀土的方法，其特征在于，步骤如下：
S1、将取回的膨胀土土样风干、碾碎，过2mm筛，用烘干箱在105～110℃温度下烘干至恒重，将纳米石墨粉掺入膨胀土土样中搅拌均匀，配置不同质量分数的土样，装入塑料袋密封备用；
S2、取纳米石墨粉掺量为0％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％的改良土样喷水至最优含水率20.95％，然后密封放置24h；
S3、分别称取质量174.17g、185.78g、197.39g的土样在击样器内分6层击实，制取直径39.1mm、高80mm的圆柱试样，干密度分别为1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3，然后进行饱和；
S4、将试样两端抹一薄层凡士林，然后把试样放在无侧限压缩仪的底座上，使底座缓慢上升，试样与加压板刚好接触，将测力计读数调零，最后加压直至试样破坏；
S5、根据式1～3计算改良土的轴向应变和轴向应力，以轴向应力为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制轴向应力与轴向应变关系曲线；取曲线上最大轴向应力作为无侧限抗压强度，当曲线上峰值不明显时，取轴向应变15％所对应的轴向应力作为改良土的无侧限抗压强度，
轴向应变计算公式：
Figure FDA0002607576160000011
试样面积的校正计算公式：
Figure FDA0002607576160000012
试样所受的轴向应力计算公式：
Figure FDA0002607576160000013
式中：式中：ε1表示轴向应变(％)，Δh表示轴向变形(cm)，h0表示初始高度(cm)，Aα表示试样校正后的面积(cm2)，A0表示初始面积(cm2)，σ表示轴向应力(kPa)，C表示仪器校正系数，R表示百分表读数，10为单位换算系数。
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