張茂花 劉亞靜

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

納米水泥土研究進(jìn)展概述★

張茂花 劉亞靜

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

對(duì)已有納米水泥土的研究現(xiàn)狀和研究成果(如納米水泥土的強(qiáng)度特性、損傷特性、固化機(jī)理、抗腐蝕性等)進(jìn)行了分析和總結(jié)，并提出了在納米水泥土研究中亟待解決的一些問(wèn)題，為其進(jìn)一步研究和工程應(yīng)用提供了方向。

水泥土，納米材料，強(qiáng)度特性，損傷特性，固化機(jī)理，抗腐蝕特性

0 引言

水泥土作為一種建筑材料，在工程上具有廣泛的應(yīng)用[1,2]，但由于水泥土變形較大，承載能力不高，限制了其在工程上的進(jìn)一步應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種外摻劑的應(yīng)用改善了這種狀況。目前硅粉[3]、粉煤灰等常見(jiàn)的超細(xì)微粒材料作為外摻劑應(yīng)用于水泥土中已經(jīng)很常見(jiàn)，而且研究發(fā)現(xiàn)它們對(duì)水泥土性能的改善主要是由于其本身具有火山灰效應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，顆粒越細(xì)，其火山灰活性就越高，也就是說(shuō)納米硅粉具有比普通硅粉更加明顯的火山灰效應(yīng)。因此把納米硅粉等納米材料摻入水泥土中，研究其對(duì)水泥土的改性作用已經(jīng)成為一種新的探索。

2003年，王立峰[1]首次將納米SiO2作為外加劑摻入普通水泥土中制備納米SiO2水泥土，并且在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了其工程特性。自此，關(guān)于納米水泥土的研究相繼開(kāi)展，陸續(xù)有相關(guān)研究成果見(jiàn)諸報(bào)端。

本文綜合整理歸納了近幾年來(lái)納米水泥土相關(guān)的研究報(bào)道，并且總結(jié)出納米水泥土已經(jīng)取得的一些研究進(jìn)展，主要包括以下幾個(gè)方面。

1 力學(xué)特性研究

1.1 強(qiáng)度特性

2003年，王立峰[1]選取納米SiO2作為外加劑制備納米SiO2水泥土，通過(guò)大量的三軸試驗(yàn)，深入地研究了其抗壓強(qiáng)度的影響因素和變化規(guī)律。同年，李剛[2]對(duì)分別摻入納米Al2O3及納米TiO2的水泥土的工程性狀進(jìn)行了研究，并且在研究中增加了齡期和水灰比兩個(gè)影響因素。研究表明，納米SiO2對(duì)水泥土的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)作用明顯，且就強(qiáng)度而言，納米SiO2摻量存在一個(gè)最佳摻量；并且探討了納米SiO2水泥土強(qiáng)度影響因素的主次順序，依次為：水泥摻量、納米SiO2摻量和土的含水量。而納米Al2O3對(duì)水泥土的強(qiáng)度影響規(guī)律與納米SiO2基本一致，但其增強(qiáng)效果略差；同時(shí)研究得出，納米Al2O3水泥土強(qiáng)度影響因素的主次排列順序與朱向榮等人研究結(jié)果稍有不同，依次是水泥摻量、土的含水量、納米鋁摻量、水灰比；而對(duì)于增加的兩個(gè)影響因素齡期和水灰比，納米Al2O3水泥土的強(qiáng)度隨齡期增加而增強(qiáng)，水灰比則對(duì)其強(qiáng)度影響不大。而納米TiO2水泥土的各齡期強(qiáng)度較普通水泥土強(qiáng)度均大幅度降低。這三種材料的對(duì)比讓人們了解到不同的納米材料對(duì)水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果不同，并不是所有的納米材料都可以用來(lái)做外加劑，人們應(yīng)該致力于探索篩選最合適的納米材料做外加劑。

之后有關(guān)納米水泥土的研究中，人們通過(guò)建立各種模型和微觀分析，深入的研究納米水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。2005年，王立峰等人[3]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了納米硅水泥土抗壓強(qiáng)度與幾個(gè)主要影響因素間的關(guān)系模型，分析了相同強(qiáng)度條件下各因素間的關(guān)系。

之后2012年，在對(duì)納米硅水泥土微結(jié)構(gòu)和孔隙特性的研究[4]中，王立峰研究了其孔隙的大小和分布，用以解釋抗壓強(qiáng)度的分布規(guī)律，這對(duì)深入研究納米水泥土抗壓強(qiáng)度具有重要意義。對(duì)納米水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的研究表明，人們應(yīng)該選擇合適的納米材料作為外加劑，并且通過(guò)對(duì)各個(gè)影響因素的具體分析，可以調(diào)整各個(gè)影響因素的控制值來(lái)配置具有最優(yōu)性能的納米水泥土。

1.2 變形特性

2003年王立峰[1]關(guān)于納米硅水泥土工程特性的試驗(yàn)研究中對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變曲線與破壞過(guò)程進(jìn)行了描述，即納米硅水泥土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變軟化性，隨著應(yīng)力的變化，應(yīng)變發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：彈性階段、彈塑性階段、塑性階段。在實(shí)際工程中，土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系十分復(fù)雜，因此必須建立一個(gè)準(zhǔn)確合理的本構(gòu)模型，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確分析和合理設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)和高效的運(yùn)算手段。

2004年，在2003年試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出納米硅水泥土材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，給出了硬化模量的一般形式；并結(jié)合試驗(yàn)資料，推導(dǎo)出納米硅水泥土的f(σij)—wp關(guān)系曲線，可方便地求出硬化模量；研究中還提出了納米硅水泥土的屈服準(zhǔn)則，不過(guò)未作深入分析[5]。

2005年推導(dǎo)出水泥土的屈服函數(shù)，建立了納米硅水泥土在不同子午線下的屈服準(zhǔn)則，并與常用的巖土材料屈服準(zhǔn)則進(jìn)行比較，結(jié)果表明本文建立的準(zhǔn)則比較符合納米硅水泥土的屈服性狀[6]。

2006年王立峰等人[7]研究了納米硅水泥土在三維應(yīng)力空間上及子午面的破壞跡線及其特征，建立了一種5參數(shù)水泥土的破壞準(zhǔn)則，與實(shí)測(cè)破壞曲面相比，結(jié)果表明該準(zhǔn)則能很好地描述納米硅水泥土在各種受力狀態(tài)下的破壞特性，從給出的模型中可以方便地預(yù)計(jì)各種不同應(yīng)力組合對(duì)材料的影響和破壞情況。

2009年王立峰等人[8]在2007年研究的基礎(chǔ)上建立了軸對(duì)稱條件下納米硅水泥土有限元方程，用增量剛度求解，在三軸試驗(yàn)條件下驗(yàn)證了該程序的合理性；之后以某機(jī)場(chǎng)水泥土攪拌樁地基處理方法作為工程背景，應(yīng)用不同納米硅摻量的水泥土作為地基處理的新材料，與傳統(tǒng)水泥土進(jìn)行比較，結(jié)果表明，納米硅作為水泥土外加劑用于地基處理可有效地減少地基沉降，提高地基承載力。

目前對(duì)納米水泥土的力學(xué)性能研究如上文所述，明顯并不完全，如在水泥土中所摻入的納米材料種類過(guò)于單一，主要是納米SiO2，而不同的納米材料對(duì)水泥土的加固效果不同，且納米材料的種類也越來(lái)越多，應(yīng)該盡可能多地選擇納米材料種類摻入水泥土中進(jìn)行試驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇合適的納米材料作為水泥土外加劑；在對(duì)納米水泥土力學(xué)性能的研究中，除了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和σ—ε關(guān)系曲線外還可以選擇其他指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)比較，可以較為全面準(zhǔn)確地描述納米水泥土的力學(xué)性能。

2 損傷特性

2008年王文軍等人[9]從損傷的角度出發(fā)分析納米硅水泥土的力學(xué)特性，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了無(wú)側(cè)限單軸受壓條件下納米硅水泥土的荷載—變形全過(guò)程曲線及試樣破壞特性，探討了納米硅水泥土損傷變量的演化規(guī)律，并分析了納米硅粉摻入比對(duì)水泥土損傷特性的影響。同年，陳志新[10]建立了不同納米硅粉摻入比下的損傷演化方程，進(jìn)而推導(dǎo)出損傷本構(gòu)模型，他與王文軍采用不同的定義選用不同的有效彈性模量，所以推導(dǎo)出的損傷變量略有不同。試驗(yàn)推導(dǎo)出了納米硅水泥土的損傷演化方程，具體形式及參數(shù)選擇因水泥摻合比、納米材料和摻合比等的不同而異。

納米硅水泥土損傷特性的研究為研究納米硅粉對(duì)水泥土的微觀改性機(jī)理提供了參考，因此今后可以進(jìn)一步從損傷角度出發(fā)研究納米材料對(duì)水泥土的微觀改性機(jī)理。

3 固化機(jī)理研究

2004年王文軍[11]探討了納米硅粉在水泥水化硬化過(guò)程中的作用以及納米硅粉與土之間的作用，研究發(fā)現(xiàn)納米硅粉能夠充分發(fā)揮自身的優(yōu)異特性，通過(guò)火山灰反應(yīng)細(xì)化和消耗水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2晶體；促進(jìn)水泥水化速度和水化程度；充填水泥石中的微小孔隙，改善水泥石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，這是納米硅粉改性水泥土的主要原因；摻加納米硅粉可以改善膠凝物質(zhì)與土顆粒之間的連結(jié)作用，但是納米硅粉與土質(zhì)之間的相互作用問(wèn)題仍有待進(jìn)一步探討。

2005年通過(guò)分析了納米硅粉水泥土的微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及微結(jié)構(gòu)形成過(guò)程[12]，提出了納米硅粉水泥土的固化機(jī)理：水泥的凝結(jié)硬化、火山灰反應(yīng)、離子交換反應(yīng)和填充效應(yīng)，并且這幾種反應(yīng)在納米硅粉—水泥漿—土體系強(qiáng)度形成過(guò)程是相互影響、共同作用的，因而固化機(jī)理十分復(fù)雜。

2008年李茂英等人[13]在相關(guān)研究中也指出：納米硅粉的火山灰效應(yīng)、微粒充填效應(yīng)和界面效應(yīng)對(duì)水泥土性能的改善，是提高水泥土強(qiáng)度的重要原因。

2012年王立峰[4]借用礦物切片技術(shù)來(lái)研究納米硅水泥土的微結(jié)構(gòu)和孔隙特性，在顯微鏡下對(duì)納米硅水泥土孔隙及其分布特征進(jìn)行分析，有助于對(duì)納米硅增強(qiáng)水泥土的固化機(jī)理的研究。

目前在對(duì)納米水泥土固化機(jī)理的研究中，對(duì)納米材料在水泥土中的作用機(jī)理分析并不全面，納米材料與土顆粒之間復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程及作用機(jī)理需要進(jìn)一步探索完善，同時(shí)不同的土質(zhì)條件下要完全量化納米硅粉—水泥漿—土的共同作用機(jī)理，仍有待進(jìn)一步研究。

4 抗腐蝕性能

水泥土攪拌法處理近海軟土?xí)r，水泥土常處于腐蝕性環(huán)境中。

2007年曾慶軍等人[14]選取珠江三角洲典型的淤泥質(zhì)粘土，加入納米硅粉配制水泥土試件，在腐蝕性硫酸鹽溶液和純水中養(yǎng)護(hù)到不同齡期，對(duì)其進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：納米硅粉能顯著提高水泥土的抗腐蝕性能。

2008年李茂英等人[13]微觀分析了納米硅粉、水泥漿和淤泥質(zhì)粘土三者之間共同作用，表明納米硅粉在硫酸鹽存在的情況下加速了與水泥水化產(chǎn)物的二次水化反應(yīng)，生成的大凝膠水化產(chǎn)物增加了水泥土的密實(shí)性，增加了納米硅粉水泥土的強(qiáng)度，有效地提高了硫酸鹽含量較高的土體環(huán)境中水泥土的耐久性和抗腐蝕能力。研究摻入納米硅粉的水泥土的抗腐蝕性能及其作用機(jī)理，為水泥土抗腐蝕性能改良和近海區(qū)軟土水泥土攪拌法加固提供了依據(jù)。

納米水泥土作為一種新型的建筑材料，比普通水泥土更能適應(yīng)實(shí)際工程中復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境和施工條件。以納米SiO2為例，王立峰[3]研究指出，當(dāng)納米硅價(jià)格降至某一數(shù)值時(shí)，要達(dá)到相同強(qiáng)度，納米硅水泥土的成本最小。雖然目前的納米材料價(jià)格仍相對(duì)較高，并不能實(shí)現(xiàn)納米材料在水泥土中廣泛使用，但隨著納米材料的工業(yè)化生產(chǎn)以及納米粉體制造技術(shù)的發(fā)展，納米材料的價(jià)格將逐年下降，將納米材料作為外加劑應(yīng)用于水泥土仍具有廣闊的前景。而對(duì)于納米水泥土不同方向的研究也為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

另外納米水泥土的其他特性如滲透性、動(dòng)力特性等相關(guān)研究并未開(kāi)展。因此在今后的工作中需要全面的研究納米水泥土的工程特性，深入探索并完善納米水泥土的固化機(jī)理，為納米水泥土的全面研究和推廣提供理論依據(jù)。

[1] 王立峰.納米硅水泥土工程特性及本構(gòu)模型研究[D].杭州：浙江大學(xué),2003.

[2] 李 剛.納米材料水泥土工程性狀試驗(yàn)研究[D].杭州：浙江大學(xué),2003.

[3] 王立峰,朱向榮.納米硅水泥土強(qiáng)度研究和經(jīng)濟(jì)分析[J].浙江建筑，2005,22(4):57- 60.

[4] 王立峰.納米硅水泥土微結(jié)構(gòu)和孔隙特性分析[J].科技通報(bào)，2012,28(9):31-35.

[5] 王立峰,朱向榮,王陳捷,等.納米硅水泥土本構(gòu)模型研究[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2004,16(4):259-264.

[6] 王立峰,朱向榮,張學(xué)文,等.納米硅水泥土屈服特性分析[J].科技通報(bào)，2005,21(3):327-331.

[7] 王立峰,夏建中,朱向榮.納米硅水泥土破壞準(zhǔn)則研究[J].巖土力學(xué)，2006,27(10):1767-1771.

[8] 王立峰,黃洪勉.納米硅水泥土彈塑性有限元分析[J].巖土力學(xué)，2009,30(1):73-146.

[9] 王文軍,朱向榮,方鵬飛.納米硅粉水泥土損傷特性分析[J].科技通報(bào)，2008,24(2):219-223.

[10] 陳志新.納米硅粉水泥土損傷模型分析[J].福建建筑，2008,119(5):60-63.

[11] 王文軍.納米礦粉水泥土固化機(jī)理及損傷特性研究[D].杭州：浙江大學(xué),2004.

[12] 王文軍,朱向榮,方鵬飛.納米硅粉水泥土固化機(jī)理研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,39(1):148-153.

[13] 李茂英,李加林,曾慶軍.納米硅粉改善水泥土抗腐蝕性能機(jī)理研究[J].路基工程，2008,140(5):40- 42.

[14] 曾慶軍,莫海鴻,廖建春,等.納米硅粉水泥土抗腐蝕性能研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007,7(2):222-226.

Research progress of cement-soil with nano-particles★

ZHANG Mao-hua LIU Ya-jing

(School of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

This paper analyzed and summarized the research present situation and research results of existing NM cement soil (such as NM cement soil strength, damage characteristics, curing mechanism, corrosion resistance property etc.), and put forward some problems to be solved in NM cement soil research, provided direction for further research and engineering application.

cement soil, NM material, strength characteristic, damage characteristic, curing mechanism, corrosion resistance property

1009-6825(2014)36-0112-03

2014-10-11

★:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2013CBQ02)；黑龍江省博士后科研啟動(dòng)金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):LBH-Q13001)

張茂花(1977- )，女，博士，碩士生導(dǎo)師，副教授； 劉亞靜(1990- )，女，在讀碩士

TU525

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