纳米碳酸钙改良水泥土动弹性模量试验研究*

严 格 庄心善 陈青生

(湖北工业大学土木建筑与环境学院 武汉 430068)

水泥土是将水泥浆液同土体拌合所形成固结体的统称，由于其可就地取材，施工方便，价格低廉,被广泛应用于地基处理、农田水利、修建堤坝、道路等工程中。但众多工程实践表明：水泥土存在强度提高有限、后期变形较大，以及受动荷载作用影响较大而影响工期和力学性能劣化等缺陷，其工程性能已难以满足日益增长的工程需求。纳米技术是在20世纪末逐渐发展起来的前沿交叉性的新兴学科。如今，该技术已经渗透到诸多领域，建筑材料领域就是其中之一。纳米颗粒因其尺度在纳米范围，从而具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应，具有传统材料所不具备的一些新特性。近年来，通过采用纳米矿粉改良水泥土工程性能的研究已经成为水泥土研究领域的热点。王文军等[6]探讨了纳米硅粉在水泥硬化过程中的作用以及纳米硅粉与土之间的作用，研究发现：纳米硅粉能够充分发挥自身的优越性，通过火山灰反应细化和消耗水泥水化产生的Ca(OH)2晶体，促进水泥水化速度和水化程度，填充水泥石中的微小孔隙，改善水泥石的细观结构，这是纳米硅粉改性水泥土的主要原因。王冲[2]通过试验研究得出掺入适量的纳米CaCO3可以促进水泥水化 反应的进行，改善水泥基材料的界面结构和水泥石的结构，能有效地提高水泥砂浆的强度。

目前，关于纳米改良水泥土的研究成果很多，主要包括使用纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化镁、纳米碳酸钙、纳米三氧化二铝等对水泥土进行改良，绝大多数仅局限于自然环境下的纳米水泥土在静力荷载作用下强度和变形特性的研究。笔者采用不同掺量的纳米碳酸钙对水泥土进行改良，利用 GDS 真动三轴仪的动力加载模块，对纳米碳酸钙改良后的水泥土进行动荷载试验，研究纳米水泥土动弹性模量的变化规律，从而得出纳米碳酸钙改良水泥土的最佳掺量，为实际相关工程提供参考依据。

1 土样制备和试验方案

1.1 试验仪器和试验土样

试验仪器为英国 GDS 真动三轴仪，如图1所示。

图1 GDS 真动三轴试验仪及电子操控台

GDS 测量系统可以精准施加围压、轴向压力、反压，并可以实时记录土样的轴向应变、孔隙压力、体积应变等数据。

试验所用粘土土样来自于灵寿县德舟矿产品加工公司。土样的物理性质指标如表1所示，其中，ρ为天然密度，W1为液限，Wp为塑限。通过击实试验得出土样最大干密度为1.5 g/cm2，最优含水率为20%，按最优含水率和最大干密度制作重塑土样，试样直径为50 mm，高度为100 mm，制备时分5层捣实，每层进行刮毛处理。

表1 粘土基本物理力学参数

1.2 土样制备和试验方案

从加工公司买回试验所用的粘土，放进烤箱烘干，将烘干后的土从烘箱中取出，默认此时干土含水率为零，过 2 mm 筛。试验用土的含水率取最优含水率20%，水灰比定为45%，水泥掺量定为15%。

先将重塑试样放入饱和器内抽气饱和，再装入GDS 真动三轴仪进行反压饱和，直至饱和度B达到0.95时停止。本试验采用不固结试验，动荷载波形采用正弦波，在不排水条件下，分 10 级施加预设的动应力，幅值为25～250 kPa，频率为1 Hz，围压为200 kPa，初始轴向力为500 N。方案如表2所示，其中，σ3为围压，σd为应力幅值，a为纳米碳酸钙掺量质量分数(纳米碳酸钙质量/湿土质量×100%)。

表2 水泥土动力试验加载方案

2 试验结果及分析

2.1 动应力应变关系

纳米水泥土试样的动应力-应变曲线σd-εd如图2所示。

图2 纳米水泥土动应力-应变关系曲线

当εd<0.1%时，曲线比较陡，当动应力逐渐增大时，应变增大速度加快，曲线逐渐趋于平缓，整体表现为双曲线关系。在相同条件下，当纳米碳酸钙掺量小于0.50%时，σd-εd曲线随着纳米碳酸钙掺量的增大而向上移动；当纳米碳酸钙掺量大于0.50%时，σd-εd曲线随着纳米碳酸钙掺量的增大而向下移。当应变初期εd<0.1%时，土体处于弹性变形阶段，土体产生的变形主要为弹性变形，随着动应力幅值的增大，土体逐渐由弹性变形阶段过渡为塑性变形阶段，土体产生的变形以塑性变形为主导，应变发展加快；相同应力幅值下土体的动应变随着纳米碳酸钙掺量的增大而先减小后增大，说明在本试验中纳米碳酸钙掺量为0%～0.25%时，能较有效地抑制水泥土动应变的发展。

2.2 动弹性模量特性

动弹性模量 Ed取滞回曲线两端点连线的斜率，即

取每级荷载第8～10次循环加载的动弹性模量平均值和对应的平均动应变作为该级荷载的动弹性模量和动应变，绘制Ed-εd曲线，如图3所示。

图3 不同纳米掺量下水泥土动弹性模量变化曲线

由图3可知，在不同纳米CaCO3掺量条件下纳米水泥土的动弹性模量随着动应变的增大先迅速减小后趋于平缓。在应变初期，当动应变小于0.10%时，曲线斜率较大，动弹性模量下降较快；大于0.10%时，曲线斜率较小，动弹性模量下降较慢。纳米水泥土试样在反复动荷载中，由于纳米水泥土试样的颗粒会发生摩擦，释放应变能。在动应变小于0.10%时释放的应变能较大，动应变大于0.10%时释放的应变能较小。

在相同条件下，Ed随着纳米CaCO3掺量的增大而先增大后减小，表现为 Ed-εd曲线随着CaCO3掺量从0增大到0.25%而向上移动，而当CaCO3掺量从0.25%继续增大时，Ed-εd曲线则随之向下移动，并且掺量增大到0.75%和1.0%时，此时的动弹性模量明显小于掺量0的素土样。由试验结果可知，纳米碳酸钙掺量不宜过多，文献[6]也指出，纳米颗粒掺量过多容易产生团聚，并包裹水泥颗粒，因而阻碍水化反应，使得强度下降。纳米碳酸钙掺量过多所造成的团聚也会影响纳米碳酸钙在水泥土中的分散，使试样产生过多的微小气泡，增加硬化后土样的有害孔数量，从而导致掺加0.75%、1.0%纳米碳酸钙的土样动弹性模量明显小于掺量0的土样。

(1)相同应力幅值下土体的动应变随着纳米碳酸钙掺量的增大而先减小后增大，说明在本试验中当纳米碳酸钙掺量为0%～0.25%时，能够较有效地抑制水泥土动应变的发展。

(2)掺加纳米碳酸钙的5组水泥土试样中，0.12%、0.25%、0.50% 3组土样动弹性模量明显大于素水泥土样，0.75%、1.0% 两组土样动弹性模量相对于素水泥土样有所下降。试验表明：使用适当掺量的纳米碳酸钙可以对水泥土的力学性能进行有效地改良。

(3)纳米碳酸钙改良水泥土的动弹性模量随着碳酸钙掺量的增大而先增大后减小，当动应变较小时，变化程度较大，随着 动应变增大，变化较小。试验表明在相同动应变下，当碳酸钙掺量为0.25%时，水泥土的动弹性模量最大，本试验中纳米碳酸钙改良水泥土的最佳掺量为0.25%。