傅克賢 李 元 姜 屏 方初蕾 張 芳 王 偉

(紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引言

粘土是由地殼中含長石類巖石經(jīng)過長期風(fēng)化和地質(zhì)作用而生成的，是由含水鎂鋁硅酸鹽產(chǎn)物組成的混合物.由于納米級別的粘土(簡稱納米粘土)具有良好的力學(xué)性能和化學(xué)性能，其在化學(xué)、農(nóng)業(yè)以及汽車輪胎等傳統(tǒng)材料領(lǐng)域有一定的研究與應(yīng)用[1-3].余志偉研究發(fā)現(xiàn)，納米粘土可以提高環(huán)氧樹脂絕緣材料的沖擊強度與彎曲強度[4].汪玉研究發(fā)現(xiàn)，隨著溶液中阿特拉津濃度的增加，納米粘土礦物對阿特拉津的吸附量增加[5].在汽車輪胎領(lǐng)域，孫學(xué)杰研究發(fā)現(xiàn)，在橡膠中加入一定量的納米粘土制成的輪胎擁有良好的氣體阻隔性能、阻燃性能以及抗裂紋性能[6].

隨著納米材料應(yīng)用的推廣，其在土木工程領(lǐng)域也受到了工程技術(shù)人員的青睞.劉本義研究發(fā)現(xiàn)，加入一定量的納米粘土后，可以實現(xiàn)混凝土的免振滑模成型[7]；仲曉林研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加入納米粘土可以明顯改善水泥土的孔結(jié)構(gòu)與密實性，從而提高水泥混凝土抗壓強度與耐久性[8].張鵬通過試驗發(fā)現(xiàn)，納米粒子可以有效增強水泥基復(fù)合材料的抗折性能[9].王海飆通過凍融循環(huán)試驗，揭示了納米CaCO3對水泥土力學(xué)性能的影響[10].王偉等通過固結(jié)試驗，發(fā)現(xiàn)納米氧化鎂的摻入能大幅提高水泥土的一維固結(jié)壓縮性能和剪切性能[11-12].微觀結(jié)構(gòu)是影響巖土工程材料，尤其是水泥基材料工程性質(zhì)的主要因素，諸多學(xué)者對此做了深入探索.Moradpour探索了膨脹性納米氧化鎂顆粒對水泥基材料的力學(xué)性質(zhì)的改善[13].Horpibulsuk從微觀結(jié)構(gòu)的角度分析了水泥固化淤泥質(zhì)土的強度變化規(guī)律，采用SEM與EDX研究發(fā)現(xiàn)，水泥改變土的結(jié)構(gòu)是通過增加土顆粒之間的膠結(jié)鍵和減小土顆粒之間的孔隙來實現(xiàn)的[13].

在工程應(yīng)用中，不僅要考慮水泥基材料的力學(xué)性能，還要結(jié)合其工作自然環(huán)境充分考慮其微觀結(jié)構(gòu)，就地取材針對不同的工程材料研究不同的外加劑[14-16].本文研究納米粘土的性質(zhì)及在巖土工程中的應(yīng)用，在表征其微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以納米粘土為原料做直剪試驗，以得到納米粘土的直剪特性，并將其初步應(yīng)用于尾礦砂的加固中，以供相關(guān)工程參考.

1 納米粘土與測試設(shè)備

1.1 微觀測試設(shè)備

SEM電鏡是日本電子株式會社生產(chǎn)的JSM-6360LV型鎢燈絲高低真空掃描電鏡儀器.

EDS能譜儀是歐倍爾集團下北京歐倍爾科學(xué)儀器有限公司所生產(chǎn)的英國牛津X-act能譜儀.

XRD分析儀由荷蘭帕納科(原Philips)公司生產(chǎn)，最大輸出功率≥2.2 kW.

1.2 納米粘土微觀結(jié)構(gòu)

本試驗的納米粘土購自湖北金細蒙脫石科技有限公司.通過SEM測試得到其放大2 000倍時微觀結(jié)構(gòu)排列圖，如圖1所示.該圖顯示納米粘土結(jié)構(gòu)非常致密，顆粒狀的獨立單元體很少，結(jié)構(gòu)空隙較小，總體呈粒狀堆積結(jié)構(gòu).

在圖1的SEM結(jié)構(gòu)圖中選取部分范圍進行EDX測試，結(jié)果見圖2.分析可得納米粘土的主要元素構(gòu)成為C、Ca、O、Fe、Mg、Al、Si、K等.其中Si、O、Al、Fe這四種元素的含量最高.

對納米粘土進行XRD測試，結(jié)果見圖3.將圖3中的峰值特征與標準晶體結(jié)構(gòu)比對可得，本試驗使用的納米粘土的主要成分為二氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3).

通過SEM、EDX、XRD綜合分析可知,納米粘土的主要元素組成為Si、O、Al、Fe這四種元素，主要成分為二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)等，且納米粘土的結(jié)構(gòu)密實，呈粒狀堆積結(jié)構(gòu)，大顆粒單元體之間相互堆積和膠結(jié)，小顆粒以聯(lián)結(jié)方式依附在大顆粒單元體上.

圖1 納米粘土SEM分析圖

圖2 納米粘土EDX分析圖

圖3 納米粘土XRD分析圖

1.3 直接剪切試驗設(shè)備

本次試驗采用的直剪儀器為智能電動四聯(lián)直剪儀，由南京泰克奧有限公司生產(chǎn).最大水平位移8 cm，剪切速率為0.000 01 mm/min～2.4 mm/min，無級變速.該儀器可通過微機自動采集數(shù)據(jù)進行處理，而且一次最多可同時進行4個試樣的直剪試驗，對比手搖式直剪儀，加載速率控制準確性和效率大幅度提升.

2 納米粘土試樣制作與試驗設(shè)計

2.1 試樣制備與養(yǎng)護

含水率的大小決定試樣是否能成型，因此選取三個含水率分別為60%、65%、70%試樣進行成型試制研究.3個不同含水率試樣都能夠成型；含水率為60%時，試樣表面有開裂現(xiàn)象；含水率為70%時，試樣表面粘性過強，成型較為困難；而含水率為65%時，試樣的表面較為光滑，如圖4所示.因此將試樣的含水率選定為65%.

根據(jù)《土工試驗方法標準》重塑樣的制備方法[17]，將納米粘土與水攪拌均勻，含水率為65%，裝入內(nèi)徑為61.8 mm、高度為20 mm的抹好凡士林的環(huán)刀內(nèi)，并用橡膠錘擊實，然后抹平表面并編號，10 min后脫模.由于納米粘土干縮性較強，在試樣脫模密封后進行標準養(yǎng)護.

2.2 試驗設(shè)計

為了準確地得出納米粘土的直剪特性，本次試驗以納米粘土為原材料進行直接剪切試驗，將試驗的法向應(yīng)力分為5級，分別為100 kPa、150 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa.

圖4 不同含水率試樣對比

根據(jù)土工試驗規(guī)范，進行直剪試驗前進行靜壓固結(jié)，靜壓固結(jié)時間為2 h，剪切速度設(shè)為1 mm/min.

3 納米粘土試驗數(shù)據(jù)與分析

3.1 剪切應(yīng)力-位移曲線

試驗測得在5個不同法向應(yīng)力作用下納米粘土的剪切應(yīng)力-位移曲線如圖5所示.由圖5可知，5個不同法向應(yīng)力下的剪切曲線均具有相同的發(fā)展趨勢,即剪切應(yīng)力先隨著剪切位移增大而增大，當達到峰值應(yīng)力時，剪切應(yīng)力逐漸變小并趨于水平，呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力軟化模型特征.從數(shù)學(xué)角度分析，納米粘土剪切應(yīng)力-位移曲線具有以下基本數(shù)學(xué)特征：(1)經(jīng)過(0，0)點，并且存在峰值點和反彎點；(2)曲線先遞增到達峰值點而后遞減，即一階導(dǎo)數(shù)先大于零而后小于零；(3)以反彎點為界，曲線的二階導(dǎo)數(shù)先大于零而后小于零；(4)各曲線尾部存在漸進值.

3.2 抗剪強度

(1)峰值抗剪強度

圖5所示的剪切應(yīng)力-位移曲線均為軟化型曲線，具有峰值應(yīng)力點和最終趨于平緩的殘余應(yīng)力點.峰值點對應(yīng)的應(yīng)力即為傳統(tǒng)土力學(xué)中的抗剪強度，為便于陳述，本文將其稱為峰值強度；將殘余應(yīng)力點對應(yīng)的應(yīng)力稱為殘余強度.各曲線對應(yīng)的殘余強度取剪切位移達到4 mm時的剪切應(yīng)力.將圖5中各法向應(yīng)力作用下的峰值強度及其對應(yīng)的剪切位移列于表1，采用公式(1)所示的莫爾-庫倫準則對其進行擬合[18]，結(jié)果見圖6.

圖5 納米粘土剪切應(yīng)力-位移曲線

τf=c+σtanφ，

(1)

其中，τf表示峰值強度，c表示對應(yīng)的粘聚力，φ表示對應(yīng)摩擦角，σ表示法向應(yīng)力.

圖6 峰值強度擬合曲線

由表1和圖6可知，納米粘土的峰值強度隨法向應(yīng)力的增加而線性增加，剪切破壞變形隨法向應(yīng)力的增加而非線性減少；此時對應(yīng)的粘聚力為39.4 kPa，內(nèi)摩擦角為9.7°.

(2)殘余抗剪強度

表1 峰值強度及其對應(yīng)峰值位移

法向應(yīng)力/kPa100150200300400峰值強度/kPa55.164.576.290.3106.9峰值位移/mm1.361.301.191.141.05

圖7 殘余強度擬合曲線

與峰值強度類似，采用公式(2)對圖5中的殘余強度進行擬合，結(jié)果見圖7.

τr=c′+σtanφ′，

(2)

其中，τr表示殘余強度，c′表示對應(yīng)的粘聚力，φ′表示對應(yīng)摩擦角，σ依然表示法向應(yīng)力.由圖7可知，納米粘土殘余強度對應(yīng)的粘聚力為21.8 kPa，內(nèi)摩擦角為7.3°.

由于殘余強度和峰值強度的絕對值是工程設(shè)計者關(guān)心的主要力學(xué)參數(shù)，所以十分重要.同時，在工程安全評估中，材料峰值破壞至殘余強度破壞這一過程是評價材料后期耗能的研究基礎(chǔ)，通常需要重點關(guān)注這一過程，本文采用殘余強度和峰值強度的比值K進行討論.根據(jù)公式(1)和(2)，計算得各法向應(yīng)力下的K值并將其繪于圖8.

圖8顯示，納米粘土的K值在60%～70%之間，且隨著法向應(yīng)力的增加稍有增大.這說明，納米粘土峰值破壞后仍然存在較大的抵抗應(yīng)力和變形的能力，具有很好的工程性能.

結(jié)合納米粘土的微觀結(jié)構(gòu)分析可得，納米粘土粒徑小，顆粒緊密，顆粒之間摩擦較小.宏觀上表現(xiàn)為粘聚力大，內(nèi)摩擦角小.峰值剪切破壞過程實際是顆粒之間的相對滑移和顆粒滾動.峰值剪切破壞后，納米粘土的粘聚力與內(nèi)摩擦角均減小，但由于顆粒之間分子間力的存在，宏觀上表現(xiàn)為仍具有一定的殘余強度.納米粘土這種結(jié)構(gòu)為其在巖土工程中的推廣和應(yīng)用提供了可能.

圖8 殘余強度和峰值強度比值

4 納米粘土加固尾礦砂初步測試

為了進一步探索納米粘土在巖土工程中的應(yīng)用，將納米粘土按照質(zhì)量比為10%摻入尾礦砂中，分別進行尾礦砂、納米粘土改性尾礦砂的對比直剪試驗.試樣制作方法、測試步驟、加載速率均與前述單純納米粘土的直剪試驗相同.測得各法向應(yīng)力下尾礦砂、納米粘土改性尾礦砂的抗剪強度如圖9所示.由圖9可見，摻入少量納米粘土可大幅度提高尾礦砂的抗剪強度，提高幅值約為25%.

圖9 納米粘土改性尾礦砂抗剪強度對比

5 結(jié)論

采用微觀結(jié)構(gòu)測試與直剪力學(xué)試驗相結(jié)合的方法，研究含水率為65%的納米粘土特性，并對其改性尾礦砂進行了討論，得到以下結(jié)論：

(1)納米粘土的主要成分為二氧化硅、氧化鋁等，且納米粘土的結(jié)構(gòu)密實，呈粒狀堆積結(jié)構(gòu).

(2)納米粘土的直剪剪切應(yīng)力隨著剪切位移的增大先增大，當達到峰值強度時，剪切應(yīng)力逐漸變小并趨于水平，達到殘余強度，呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力軟化模型特征.

(3)納米粘土峰值強度對應(yīng)的粘聚力為39.4 kPa，內(nèi)摩擦角為9.7°.由于納米粘土具有較強的結(jié)構(gòu)性和密實性，其殘余強度對應(yīng)的粘聚力為21.8 kPa，內(nèi)摩擦角為7.3°.

(4)納米粘土作為外加劑，可以有效提高水泥改性尾礦砂的抗剪強度.

需要說明的是，本文僅從直剪試驗的角度對納米粘土的力學(xué)特性和其在巖土工程中應(yīng)用可行性進行了試驗，其無側(cè)限抗壓、普通三軸、真三軸、固結(jié)等力學(xué)性能還需要進一步的探索和研究.另外，在巖土工程中應(yīng)用納米粘土?xí)r，不僅要考慮其強度改性效果，還要考慮其對變形的影響，這也是巖土工程中需要重點關(guān)注的一個研究方向.