工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (1): 97-102   (1909KB)    
纳米石墨粉对红黏土力学性质的影响
陈学军①②, 李家成①②, 宋宇①②, 白汉营    
① 桂林理工大学土木与建筑工程学院 桂林 541004;
② 广西岩土力学与工程重点实验室 桂林 541004;
③ 桂林理工大学地球科学学院 桂林 541004
摘要:对添加了纳米石墨粉的红黏土以击实进行了重塑样制备,设计了不同掺量纳米石墨粉在红黏土最优含水率下的三轴固结不排水试验;通过应力-应变曲线,分析了不同掺量纳米石墨粉对红黏土力学性能的影响,得出了抗剪强度和抗剪强度指标的规律,并采用SEM微观手段对其改善机理进行了分析。试验结果表明:抗剪强度和黏聚力C随纳米石墨粉掺量的增加先增加后减小,内摩擦角$\varphi $基本保持不变,得出适量的纳米石墨粉对红黏土的力学性质有显著的提高,最优掺量在1%~2%之间。研究认为,纳米石墨粉红黏土呈现出的力学性质,与纳米石墨粉对红黏土孔隙结构的影响、纳米石墨粉对红黏土颗粒的黏附胶结密切相关。
关键词纳米石墨粉    掺量    红黏土    力学性能    机理    
EFFECT OF NANO GRAPHITE POWDER ON MECHANICAL PROPERTIES OF RED CLAY
CHEN Xuejun①②, LI Jiacheng①②, SONG Yu①②, BAI Hanying    
① College of Civil Engineering and Architectural, Guilin University of Technology, Guilin 541004;
② Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin 541004;
③ College of Earth Sciences, Guilin University of Technology, Guilin 541004
Abstract: This papter uses the compaction method for preparing the remolded red clay with the addition of nano graphite powder(NGP). It designs the consolidation and undrained triaxial experiment of different dosage of NGP under optimum water content of red clay. The effect of doped with different amount of nano graphite powder on mechanical properties of red clay is analyzed by adopting the method of stress and strain curve, which obtains the rules of shear strength and shear strength index. The improving mechanism is futher analyzed with SEM method. The experimental results show that:with the increase of NGP content, the shear strength and cohesion C increase firstly and then decrease, the internal friction angle $\varphi $ remains basically unchanged. It can be observed that the appropriate amount of NGP has an significantly improvement on the mechanical properties of red clay. The best dosage is between 1% to 2%. The study suggests that the presenting mechanical properties of NGP-red clay is closely related to the effect of the NGP on the pore structure of red clay and the particle adhesion and cementation.
Key words: NGP    Contents    Red clay    Mechanical property    Mechanism    

0 引言

红黏土是碳酸盐类岩石或其他富铁岩石的迁移、过渡、交代、沉淀等过程中,经过最初风化→次生风化→脱水过程(姜洪涛,2000)形成的,其具有高含水率、高塑性,高孔隙比的物性指标,却表现出良好的力学性质,主要分布我国两广、两湖以及贵州、云南等地(谭罗荣等,2001)。随着经济的突出猛进,红黏土地区的工程建设项目也越来越多,对红黏土的抗剪强度、地基承载力等工程性质要求也越来越高;诸如边坡开裂、路基下陷、地基承载力不足等工程地质问题严重影响到实际工程的安全、稳定运行,因此对红黏土性能改良具有重要意义。

至今,国内已有众多学者采用外掺剂的方法改善红黏土的力学性质,曾军等(2015)在红黏土中掺加一定量的聚丙烯纤维,纤维在土体中形成了空间网结构,提高了土体的整体性,从而明显提高了红黏土的无侧限抗压强度;刘之葵等(2016)研究了水泥对红黏土改良效果,得出了在相同掺量和相同养护时间下,内摩擦角与黏聚力均随掺量的增大而增大,且黏聚力增大更明显;施灿海等(2011)将纤维-红黏土与纤维水泥-红黏土进行对比,研究表明纤维水泥对云南红黏土无侧限抗压强度改善更为明显;孙志亮等(2013)研究得出石灰对郴州红黏土的无侧限抗压强度与养护龄期成线性关系,内摩擦角与黏聚力相应变大;杨俊等(2015)掺入天然砂砾探究红黏土的力学指标的变化,并预估了数学模型;除此之外,如掺加废弃轮胎橡胶颗粒、碎石、煤矸石等(罗斌等,2009张雁等,2009颜椿钊等,2015),改良效果均较好。诸多国外学者也通过掺加改性材料等方法去改良土体的性质,如Prabakar et al.(2002)研究了剑麻纤维能够有效地提高土体的抗剪强度、Al-Rawas et al.(2002)在膨胀土掺入高炉灰渣的固体废弃物,可以有效地改善膨胀性和可塑性。然而,相比以上普通外掺剂而言,通过添加具有小尺寸效应、表面效应、比表面积大(白春礼,2001)等性质的纳米材料研究则较少;近些年,纳米材料已经运用到建筑材料等领域,如杨杉等(2011)研究了纳米碳酸钙对钢纤维混凝土物理力学性能的影响,顾春元等(2012)研究了纳米二氧化硅抑制黏土的膨胀机理;因此,纳米材料改良红黏土力学性质应运而生。

纳米级石墨粉不仅具有独特的小尺寸效应、表面效应等纳米材料效应,而且还具有强吸附性、耐高温性、结构稳定等性质,考虑到纳米级石墨粉颗粒能够填充红黏土孔隙、其强吸附性能够增加红黏土的胶结,且其结构稳定不变,能够适应外界环境的变化。综上所述,本文将外掺剂纳米石墨粉(Nano Graphite Powder,后用NGP代替)添加到红黏土中,通过三轴试验去研究NGP-红黏土的力学性质。

1 试验过程
1.1 材料选取

试验所采用的红黏土来自桂林市雁山区,呈棕红色,其基本参数(表 1)。试验所用纳米石墨粉参数来自南京先丰纳米材料科技有限公司,其基本参数(表 2)。

表 1 红黏土基本参数 Table 1 Basic parameters of red clay

表 2 纳米石墨粉基本参数 Table 2 Basic parameters of NGP

1.2 试样制备

试验中掺入量为纳米石墨粉质量与风干土体质量之比,加入了纳米石墨粉的土体称为纳米石墨粉红黏土(NGP-红黏土)。将一定质量的纳米石墨粉与相对应量的风干、碾碎后的红黏土进行混合,经充分混合后,再按照红黏土的最优含水率30%进行喷水搅拌,将喷好的土样装入塑料袋扎紧,润湿24 h。

根据土工试验操作规程(SL237-1999),试样制备采用击实法,每个试样尺寸为39.1 cm×8 cm,根据设定的干密度1.4 g·cm-3称取所需湿土质量,按照高度分为6层击实,每层击实至相应高度后,将表面刨毛,共制取24个样。最后对制好的三轴样进行抽气饱和,饱水12 h以上。

1.3 试验方法

本文试验设备采用南京土壤仪器厂生产的TSZ-1型应变控制式三轴仪。本次试验采用三轴固结不排水试验,选取的剪切速率为0.9 mm ·min-1,直至轴向应变达到20%,终止试验。将不同掺量NGP-红黏土分为4组,掺量分别为:0%,0.5%,1%,2%,每组分别进行围压100 kPa,300 kPa,500 kPa的三轴试验,并进行了平行试验。

2 试验结果及分析
2.1 不同掺量NGP下红黏土应力-应变关系

各组掺量NGP试样的三轴剪切试验的应力-应变曲线(图 1)。试样最终的破坏形式都是鼓胀破坏。根据土工试验规程(SL237-1999),以(1-3)峰值点作为破坏点,若(1-3)无峰值,可以取轴向应变的15%相应的(1-3)作为破坏强度值,本文将破坏强度视为抗剪强度值。

图 1 不同NGP掺量下应力-应变关系曲线 Fig. 1 Stress-strain curves under different NGP contents

图 1可知,在不同NGP掺量下的应力-应变关系曲线中,均会出现“拐点”,当轴向应变未超过“拐点”的应变时,主应力差急剧上升,后随着轴向应变的增大而缓慢变化;在相同NGP掺量下,不同围压的应力-应变曲线随着围压增大呈现阶梯状,抗剪强度值也随围压的增大而增大;在相同围压下,在掺量为0.5%,1%时,红黏土应力-应变曲线有上升的趋势;在掺量为2%时,红黏土的应力-应变曲线又有下降的趋势;应力-应变关系大体上是应变硬化,少数呈应变软化。不同围压、不同掺量下的红黏土抗剪强度值见表 3,拟合的趋势图(图 2)。

表 3 试样的抗剪强度值 Table 3 Shear strength of samples

图 2 不同NGP掺量的抗剪强度趋势图 Fig. 2 Shear strength of different NGP content

表 3可知,当NGP掺量为0.5%,1%时,不同围压下的抗剪强度值均增加,当掺量为2%时,不同围压下的抗剪强度均减小,但仍大于没有掺加NGP红黏土的抗剪强度;由趋势图 2可知,NGP掺量在1%~2%某个值时,抗剪强度值到达最大,因此适量的NGP对红黏土的抗剪强度值有明显提高,后随着掺量的增大,抗剪强度值有所降低,这可能是NGP含量增大会增加自身的润滑作用,从而降低了抗剪强度值。

2.2 NGP对红黏土抗剪强度指标的影响

莫尔-库仑强度理论是岩土工程界应用最为广泛的强度理论(李广信,2002),其数学表达式如式(1)或式(2):

$ \frac{{{\sigma _1} - {\sigma _3}}}{{{\sigma _1} + {\sigma _3} + 2C\cot \varphi }} = \sin \varphi $ (1)

$ {\tau _f} = C + \delta \tan \varphi $ (2)

式中,C$\varphi $分别是黏聚力和内摩擦角。

三轴试验得出的抗剪强度指标是应用了莫尔-库仑理论,在τf-δ坐标轴上画出莫尔应力圆,再做出应力圆的公切线,切线的斜率即为内摩擦角,截距即为黏聚力。此方法得出的不同NGP掺量红黏土的内摩擦角、黏聚力分别见图 3图 4

图 3 内摩擦角与NGP掺量关系曲线 Fig. 3 Relationship between internal friction angle and NGP content

图 4 黏聚力C与NGP掺量关系 Fig. 4 Relationship between cohesion C and NGP content

图 3可以看出,NGP的含量对红黏土的内摩擦角$\varphi $影响甚微。

经拟合,黏聚力与NGP掺量关系曲线(图 4),其拟合的函数关系式可以表达为式(3):

$ \begin{array}{l} C = - 6.71333{\omega ^3} + 3.75{\omega ^2} + \\ \;\;\;\;\;\;23.78333\omega + 52.8 \end{array} $ (3)

图 4可以看出,NGP的含量对红黏土的黏聚力C有显著的影响;NGP掺量在0%~1%范围内时,黏聚力C随着掺量的增大而不断增大,随后在掺量为1%附近达到峰值,NGP掺量继续增加到2%时,黏聚力C明显减小,但比未掺加NGP的红黏土黏聚力高;这说明适量的NGP对红黏土的黏聚力有明显的提高,最优掺量在1%~2%之间。NGP对红黏土黏聚力的影响可能是NGP的纳米性能、吸附性能等发挥了重大的作用。

3 抗剪强度及黏聚力随NGP掺量变化的机理分析

NGP具有强吸附性、润滑性,因具有纳米材料的粒径小、比表能大、表面能高以及表面原子所占比例大等特点,因而还具备了小尺寸效应、量子尺寸效应和表面效应等特有效应。

当一定量(NGP掺量在0%~1%之间)的NGP掺加到红黏土中后,其会黏附在土颗粒表面,因其小尺寸性就会有一定量的NGP填充了红黏土的孔隙,从而增加了红黏土孔隙密实度,此时一定量的NGP的强吸附性也发挥了作用,使得土颗粒之间的吸引力变大,即黏聚力变大,进而提高了红黏土抗剪强度,因而NGP掺量在0%~1%时,黏聚力C和抗剪强度均随掺量的增大而变大;利用扫描电镜对红黏土进行剖面观察,图 5图 6分别为未掺加和掺量为1%NGP的红黏土在相同条件下风干的5000倍SEM图片,对比可见,掺加1%NGP的红黏土密实度明显高于未掺加NGP的红黏土。

图 5 NGP掺量=0%的红黏土 Fig. 5 NGP content=0% red clay

图 6 NGP掺量=1%的红黏土 Fig. 6 NGP content=1% red clay

随着NGP掺量(在1%至最优掺量之间变化)的变大,红黏土中的孔隙及颗粒周围均充满NGP时,NGP纳米颗粒比表面积大,表面的纳米效应,从而使得红黏土颗粒与颗粒之间的相互吸引力变大,形成了胶结,导致红黏土的黏聚力变大,抗剪强度也变大;当NGP的含量继续增大时(在最优掺量至2%变化),使得红黏土颗粒与颗粒之间的吸引力变的更大,多个土颗粒因更强的胶结而聚集在一起,形成“碎球体”(赵蕊等,2015),这些“碎球体”某种程度上可以看成“粗颗粒”,因此使红黏土的孔隙变大(图 7),且比表面积大的NGP进入红黏土土层中间,使得红黏土内部有一定的剥离,使红黏土由原来相对紧密的结构变成了相对蓬松状态,层间的距离增大,空隙也增大了(邢弈等,2016),从而导致颗粒与颗粒更容易分开了,从而减小了黏聚力,减低了抗剪强度,又因NGP含量增大,导致“粗颗粒”表面吸附的NGP颗粒更多,而增加了润滑性,减小了红黏土颗粒之间的黏聚力,但总体上较未掺加NGP的红黏土黏聚力强。

图 7 NGP掺量=2%的红黏土 Fig. 7 NGP content=2% red clay

4 结论与展望

(1) 在红黏土中掺加NGP,当NGP掺量在0%~1%时,抗剪强度随着掺量增大而增大;当NGP掺量在1%~2%时,抗剪强度随掺量增大而减小;最优掺量在1%~2%,即适量NGP对红黏土抗剪强度提高最为有效;不同围压下抗剪强度随掺量变化的趋势相近。

(2) 随掺量的变化,红黏土的内摩擦角基本不变化;而红黏土的黏聚力在NGP掺量为0%~1%时,有显著的提高,当NGP掺量在最优掺量(最优掺量在1%~2%)时,红黏土黏聚力达到最大,后随掺量增加而减小,但较NGP掺量为0%红黏土的黏聚力大。

(3) 适量的NGP可以使红黏土更加密实,且NGP的大比表面积、表面的纳米效应,使得土颗粒与土颗粒之间的吸引力变大,增加了红黏土的胶结,因而黏聚力变大,抗剪强度变大;后随NGP掺量增大,使得土颗粒之间的吸引更大,形成了“粗颗粒”,导致了土体的孔隙的变大,且NGP进入红黏土土层间,增大了层间距离和空隙,使得粗颗粒与粗颗粒容易分开了,又因NGP含量增多引起了一定的润滑性,使得红黏土的黏聚力变小,抗剪强度变小。

(4) 本文针对最优掺量处于1%~2%范围NGP对红黏土力学性质影响进行了研究,研究结果表明:NGP-红黏土黏聚力C与NGP掺量有密切联系,从而提高了红黏土的抗剪强度,对于工程具有实用价值。鉴于在实际工程中,1%~2%的NGP掺量范围仍较大,为了达到实际工程中的应用效果,预继续关注、研究掺入方式,结合NGP制备的相关方法,进行细化研究,希望能够找出更加轻捷、方便、经济的工程实施方法。

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