CN112851247B - 一种抗海水腐蚀的纳米水泥土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种抗海水腐蚀的纳米水泥土，所述纳米水泥土由水泥、水、分散剂、混合纳米矿粉和干土粉制成，其中：按照组分质量占总质量的百分比包括以下：水泥10％～11％、水20％～21％，分散剂0.2％、混合纳米矿粉0.4％～0.7％和干土粉67％～69％，所述混合纳米矿粉为纳米二氧化硅和纳米粘土按照质量比为1:1组成。本抗海水腐蚀的纳米水泥土在较长龄期的海水腐蚀条件下能有效的改善软土的力学性能和稳定性，在较长龄期的海水腐蚀条件下抗压强度相较于普通水泥土有显著提高，能够有效的抵抗海水对水泥土的劣化作用，延长工程的使用寿命。

Description

一种抗海水腐蚀的纳米水泥土及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米水泥土及其制备方法，尤其涉及一种抗海水腐蚀的纳米水泥土及其制备方法。
背景技术
近海环境存在大量的Mg2+、SO4 2-和Cl-等腐蚀性介质，有些环境土壤地下水中Cl-浓度超过10000mg/L，Mg2+和SO4 2-浓度也常常会达到1000mg/L。与自然环境中的水泥土特性大有不同，处在腐蚀场地中的水泥加固体，与混凝土、钢材等建筑材料一样，不可避免地受到腐蚀，常常引起水泥土基加固体发生严重劣化。尤其在长期腐蚀情况下，导致水泥土强度衰减引起地基承载力降低，同时造成复合地基长期综合刚度降低，最终导致水泥加固地基产生长期的工后沉降，甚至危害到工程的安全和正常使用，严重缩短工程结构设计使用寿命。在近海地区因水泥土遭受腐蚀而造成路基胀裂、基础开裂破坏的事故时有发生。在这种情况下，即使采用大幅度增加水泥用量等常规手段也难以达到令人满意的技术效果，较长龄期下腐蚀环境引发的水泥土劣化问题已经对水泥土地基的长期性能、工程安全性及耐久性等造成了极大的挑战。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种抗海水腐蚀的纳米水泥土，既可以起到海水腐蚀环境下地基土处理加固，有效提高传统水泥土地基土承载力的作用，又能满足解决腐蚀环境引发的水泥土劣化问题的需要。
本发明的目的之二是提供一种抗海水腐蚀的纳米水泥土的制备方法，工艺简单，易于操作，方便实际生产需求。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种抗海水腐蚀的纳米水泥土，按照质量百分比计包括以下组分：按照各组分质量占总质量的百分比包括以下：水泥10%～11%、水20%～21%，分散剂0.2%、混合纳米矿粉0.4%～0.7%和干土粉67%～69%。
上述技术方案中，所述纳米矿粉中纳米二氧化硅和纳米粘土的质量比为1:1。
上述技术方案中，所述纳米二氧化硅的粒径为10～20 nm。
上述技术方案中，所述纳米粘土材料主要成分为SiO2和Al 2O3，所述纳米粘土的晶片平均厚度在20～50 nm，晶片平均直径在300～500 nm。
上述技术方案中，所述水泥为普通硅酸盐水泥。
上述技术方案中，所述干土粉为普通地下土，干燥后通过2mm的网筛过滤得到。
上述技术方案中，所述分散剂为高分子分散剂聚乙烯吡咯烷酮。
本发明实现目的之二所采用的方案是：
一种抗海水腐蚀的纳米水泥土的制备方法，包括以下步骤：
（1）将干土粉通过孔径为2mm的网筛过滤，得到粒径小于2mm的干土粉；
（2）按质量百分比将步骤（1）得到的干土粉67%～69%，混合纳米矿粉0.4%～0.7% 、水泥10%～11%，分散剂0.2%混合搅拌均匀得到固体混合物，再加入水20%～21%，搅拌均匀后得到纳米水泥土。
本发明的原理是：
一方面纳米二氧化硅的火山灰反应，通过消耗水泥水化所产生的Ca(OH)2，生成了更多的水化硅酸钙凝胶(C-S-H)，从而增加了水泥土强度。另一方面纳米矿粉具有填充效应：掺加在水泥浆体中的一部分纳米硅粉来不及参与反应，或者掺量较大时，剩余细小颗粒便充填到水化产物的孔隙中，使得水泥石的结构更为密实，同时纳米粘土具有良好的分散性可以帮助改善水泥土的微观结构降低孔隙率从而提高水泥土在较长龄期腐蚀环境下的抵抗能力，适用于海洋、海岸和滨海等近海岩土工程建设中的路基、桩基处理工程。
本发明的有益效果是：
1.抗海水腐蚀的纳米水泥土在较长龄期的海水腐蚀条件下能有效的改善软土的力学性能和稳定性，在较长龄期的海水腐蚀条件下抗压强度相较于普通水泥土有显著提高，能够有效的抵抗海水对水泥土的劣化作用，延长工程的使用寿命。
2.抗海水腐蚀的纳米水泥土更加经济适用，使用成本较低的纳米粘土改良水泥土相较于采用单一纳米二氧化硅改良水泥土，可以在满足提高水泥土的力学性能的同时降低所需成本。
3. 抗海水腐蚀的纳米水泥土的应用为近海岩土工程建设中的路基、桩基处理提供了一种新思路和技术参考，采用多种纳米矿粉协同改良水泥土是一个新的方向。
4. 抗海水腐蚀的纳米水泥土的制备方法，将纳米材料作为添加剂直接加入到水泥土中，不仅操作简便而且改良水泥土的效果比较好，充分提升水泥土在海水腐蚀环境下的密实性和力学性能，采用人工或者机械搅拌提高纳米材料在水泥土中的分散性，对操作环境没有过多要求而且制备效果较好，易于推广。
附图说明
图1为本发明制备的抗海水腐蚀纳米水泥土试样照片。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中的干土粉为普通地下土，取自海南省海口市美兰区。
实施例1
（1）将干土粉通过孔径为2mm的网筛过滤称重，得到粒径小于2mm的干土粉；
（2）按质量百分比将步骤（1）得到的干土粉68.2%，纳米二氧化硅0.2%、纳米粘土0.2%、水泥10.2%，分散剂0.2%混合搅拌均匀得到固体混合物，再加入水21%，搅拌均匀后得到纳米水泥土。
（3）将步骤（2）得到的水泥土装入尺寸39.1mm×80mm的试样模具，振捣密实放在温度15~25℃的标准养护箱中养护24h后脱模，得到水泥土试样。
实施例2
（1）将干土粉通过孔径为2mm的网筛过滤称重，得到粒径小于2mm的干土粉；
（2）按质量百分比将步骤（1）得到的干土粉68.15%，纳米二氧化硅0.27%、纳米粘土0.27%、水泥10.21%，分散剂0.2%混合搅拌均匀得到固体混合物，再加入水20.9%，搅拌均匀后得到纳米水泥土。
（3）将步骤（2）得到的水泥土装入尺寸39.1mm×80mm的试样模具，振捣密实放在温度15~25℃的标准养护箱中养护24h后脱模，得到水泥土试样；
（4）将水泥土试样放在模拟海水环境中浸泡大约360天。
实施例3
（1）将干土粉通过孔径为2mm的网筛过滤称重，得到粒径小于2mm的干土粉；
（2）按质量百分比将步骤（1）得到的干土粉67.95%、纳米二氧化硅0.335%、纳米粘土0.335% 、水泥10.18%、分散剂0.2%混合搅拌均匀得到固体混合物，再加入水21%，搅拌均匀后得到纳米水泥土。
（3）将步骤（2）得到的水泥土装入尺寸39.1mm×80mm的试样模具，振捣密实放在温度15~25℃的标准养护箱中养护24h后脱模，得到1水泥土试样；
（4）将水泥土试样放在模拟海水环境中浸泡大约360天。
对比例1
（1）将干土粉通过孔径为2mm的网筛过滤称重，得到粒径小于2mm的干土粉；
（2）按质量百分比将步骤（1）得到的干土粉68.62%，纳米矿粉0% 、水泥10.28%，分散剂0.2%混合搅拌均匀得到固体混合物，再加入水20.9%，搅拌均匀后得到纳米水泥土。
（3）将步骤（2）得到的水泥土装入尺寸39.1mm×80mm的试样模具，振捣密实放在温度15~25℃的标准养护箱中养护24h后脱模，得到水泥土试样；
（4）将水泥土试样放在模拟海水环境中浸泡大约360天。
对比例2
（1）将干土粉通过孔径为2mm的网筛过滤称重，得到粒径小于2mm的干土粉；
（2）按质量百分比将步骤（1）得到的干土粉67.95%，纳米二氧化硅0.67%、纳米粘土0% 、水泥10.18%，分散剂0.2%混合搅拌均匀得到固体混合物，再加入水21%，搅拌均匀后得到纳米水泥土。
（3）将步骤（2）得到的水泥土装入尺寸39.1mm×80mm的试样模具，振捣密实放在温度15~25℃的标准养护箱中养护24h后脱模，得到水泥土试样；
（4）将水泥土试样放在模拟海水环境中浸泡大约360天。
对比例3
（1）将干土粉通过孔径为2mm的网筛过滤称重，得到粒径小于2mm的干土粉；
（2）按质量百分比将步骤（1）得到的干土粉67.95%，纳米二氧化硅0%、纳米粘土0.67% 、水泥10.18%，分散剂0.2%混合搅拌均匀得到固体混合物，再加入水21%，搅拌均匀后得到纳米水泥土。
（3）将步骤（2）得到的水泥土装入尺寸39.1mm×80mm的试样模具，振捣密实放在温度15~25℃的标准养护箱中养护24h后脱模，得到水泥土试样；
（4）将水泥土试样放在模拟海水环境中浸泡大约360天。
将实施例1-3和对比例1-3制备的水泥土试样分别放在模拟海水环境中浸泡大约360天，再对浸泡后的水泥土试样进行无侧限抗压强度试验，性能参数如表1所示：
表1各实施例和对比例中水泥土试样的性能参数结果
Figure 102612DEST_PATH_IMAGE002
由实验结果可知：对比例1中未掺加纳米矿粉的水泥土360天后的无侧限抗压强度为10.02MPa；对比例2中只掺加含量为0.67% 的纳米二氧化硅的水泥土试样360天后的无侧限抗压强度为11.47MPa，升幅为14%；对比例3中只掺加含量为0.67%的纳米粘土水泥土试样360天后的无侧限抗压强度为8.30MPa，下降17%；实施例3至实施例5中掺加不同比例0.4%、0.54%和0.67%的纳米矿粉的复合材料水泥土试样360天后的无侧限抗压强度分别为10.46MPa、10.82MPa、11.49MPa，增幅为4%、8%、15%；纳米粘土的价格比纳米二氧化硅更加低廉，相较于单一的纳米二氧化硅改良水泥土采用纳米粘土与纳米二氧化硅混合更加经济而且改良效果更好，单一纳米粘土抗压强度降低由于过多掺量的纳米粘土容易发生团聚现象并且吸附在水泥周围阻碍水化反应，导致水泥颗粒间作为结合中心的接触点减少，并倾向于劣化水泥土的微观结构。综合单一纳米矿粉与混合纳米矿粉的实验结果得出掺加混合纳米矿粉可以在节约成本的同时明显提升水泥土长时间在海水环境下的力学性能。
上述对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种抗海水腐蚀的纳米水泥土，其特征在于：所述纳米水泥土由水泥、水、分散剂、混合纳米矿粉和干土粉制成，其中：按照组分质量占总质量的百分比包括以下：水泥10%～11%、水20%～21%，分散剂0.2%、混合纳米矿粉0.4%～0.7%和干土粉67%～69%，所述混合纳米矿粉为纳米二氧化硅和纳米粘土按照质量比为1:1组成，所述纳米二氧化硅的粒径为 10～20 nm，所述纳米粘土的主要成分为SiO2 和Al 2 O3，所述纳米粘土的晶片平均厚度为20～50nm，晶片平均直径为300～500 nm。
2.如权利要求1所述的一种抗海水腐蚀的纳米水泥土，其特征在于：所述水泥为普通硅酸盐水泥。
3.如权利要求1所述的一种抗海水腐蚀的纳米水泥土，其特征在于：所述干土粉为普通地下土，干燥后通过孔径为2mm的网筛过滤得到。
4.如权利要求1所述的一种抗海水腐蚀的纳米水泥土，其特征在于：所述分散剂为高分子分散剂聚乙烯吡咯烷酮。
5.一种如权利要求1至4中任一项所述的抗海水腐蚀的纳米水泥土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将干土粉通过孔径为2mm的网筛过滤，得到粒径小于2mm的干土粉；
（2）按质量百分比将步骤（1）得到的干土粉67%～69%，混合纳米矿粉0.4%～0.7% 、水泥10%～11%，分散剂0.2%混合搅拌均匀得到固体混合物，再加入水20%～21%，搅拌均匀后得到纳米水泥土。
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