浙江大学学报(工学版), 2024, 58(7): 1457-1466 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2024.07.015

交通工程、土木工程

纳米Al2O3改良滨海水泥土的动力特性及微观机理试验研究

庄心善,, 杨本驰, 陶高梁

湖北工业大学 土木建筑与环境学院,湖北 武汉 430068

Dynamic characteristics and micro-mechanisms of coastal cement soil modified by nano-Al2O3

ZHUANG Xinshan,, YANG Benchi, TAO Gaoliang

School of Civil Engineering Architecture and Environment, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China

收稿日期: 2023-06-29  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51708190).

Received: 2023-06-29  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目(51708190).

作者简介 About authors

庄心善(1964—),男,教授,博导,从事环境岩土工程与边坡工程研究.orcid.org/0000-0001-8319-8726.E-mail:zhuangxinshan@163.com , E-mail:zhuangxinshan@163.com

摘要

在循环荷载及腐蚀环境下进行动三轴、扫描电镜、核磁共振等试验,分析纳米Al2O3改良滨海水泥土的动应力–应变、动弹性模量、阻尼比及微观孔隙变化. 试验结果表明:动应变随动应力增大而增加,动弹性模量随动应力增大而减小;加载频率增大使动应变减小,使动弹性模量增加;海盐的质量分数增大使动应变增大,使动弹性模量减小. 纳米Al2O3改良水泥土的阻尼比-动应变曲线随着加载频率的增加逐渐下移,该曲线在不同加载频率下均出现交汇点,交汇点随着海盐的质量分数增大向右移动. 相比素水泥土,纳米Al2O3改良水泥土的孔隙弛豫时间分布曲线主峰峰值及峰面积显著缩小,土孔隙中有C-S-H、C-A-H凝胶物质胶结填充,形成空间网状结构,胶结效果显著. 纳米Al2O3改良水泥土在海盐质量分数小的情况下孔隙明显减少,且孔隙率比素水泥土的更低.

关键词: 纳米Al2O3 ; 水泥土 ; 循环荷载 ; 腐蚀环境 ; 微观结构

Abstract

Dynamic triaxial, SEM, NMR and other tests were carried out under cyclic loading and corrosive environment to analyze the dynamic stress-strain, dynamic elastic modulus, damping ratio and microscopic pore changes in nano-Al2O3 modified coastal cement soil. Test results show that the dynamic strain increases with the increase of dynamic stress, and the dynamic elastic modulus decreases with the increase of dynamic stress. The increase in loading frequency makes the dynamic strain decrease and the dynamic elastic modulus increase. The increase in the mass fraction of set salt makes the dynamic strain increase and the dynamic elastic modulus decrease. The damping ratio-dynamic strain curve of nano-Al2O3 modified cement soil gradually moves down with the increase of loading frequency, and the intersection point of the curves appears at different loading frequencies, and the intersection point moves to the right with the increase of the mass fraction of set salt. The peak value and peak area of the main peak of the relaxation time distribution curve of the nano-Al2O3 modified cement soil were significantly lower than those of the pure cement soil, and the C-S-H and C-A-H gel substances were cemented in the soil pores to form a spatial network structure, and the cementation effect was significant. Nano-Al2O3 modified cement soil showed a significant reduction in porosity at small sea salt mass fractions and exhibited lower porosity compared to the pure cement soil.

Keywords: nano-Al2O3 ; cement soil ; cyclic loading ; corrosive environment ; microstructure

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本文引用格式

庄心善, 杨本驰, 陶高梁. 纳米Al2O3改良滨海水泥土的动力特性及微观机理试验研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2024, 58(7): 1457-1466 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2024.07.015

ZHUANG Xinshan, YANG Benchi, TAO Gaoliang. Dynamic characteristics and micro-mechanisms of coastal cement soil modified by nano-Al2O3. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2024, 58(7): 1457-1466 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2024.07.015

在道路建设过程中,软土地基承载力差、抗压能力弱将导致道路大幅度下沉及变形. 为了改善低强度软弱路基土(如滨海软土)的力学性能,一般会在这种土中加入质量分数为6%~20%的硅酸盐水泥[1]形成水泥土,以提高沿海地区软弱路基的强度[2]. 在土壤中大量使用水泥会污染环境[3-5],而且海水的腐蚀介质侵蚀还会破坏沿海地区水泥土的内部结构,使水泥加固体发生劣化[6-9],造成极大工程危害.

纳米材料具有特殊性质,因此在各种工程建设中被广泛运用,将它作为新型外掺剂加入水泥土可以代替大量水泥,有效改善路基土的力学性质[10-13]. 纳米Al2O3具有颗粒粒径小、比表面积大的特点,作用于水泥土可以充分发挥自身的物理、化学性质,增强土颗粒间相互作用力,提高水泥土强度,在岩土工程建设领域应用广泛[14-15]. Mir等[16]对掺入纳米Al2O3后的土体进行压实和无侧限压抗压强度测试,发现纳米Al2O3的掺入能够显著提高土体抗剪强度,通过扫描电镜分析得到的纳米Al2O3改良土呈现紧密堆积和凝结的精细结构,进一步说明了抗剪强度增加的微观机理. Jahromi等[17]发现,将纳米Al2O3掺入黏土可以有效提高土体早期强度和承载力. Jian等[18]分析改良水泥浆的理化和微观结构特性,指出纳米Al2O3加速了OPC普通硅酸盐水泥中硅酸盐和铝酸盐相的反应,可有效促进水泥水化反应,减小孔隙率,提高水泥浆抗压强度. Mola-Abasi等[19]开展纳米Al2O3对水泥砂土的抗拉强度试验研究,指出纳米Al2O3可有效抑制水泥砂土裂缝发展. 综上所述,关于纳米Al2O3改良水泥土的研究基本停留在自然环境静力学阶段. 在实际沿海道路建设施工过程中,水泥土会受到地震和台风、车辆碾压、海浪冲击等荷载作用,将不可避免地加剧水泥土地基劣化,不同振动荷载[20]、振动频率[21]、海水浓度对土体造成的动力影响更为复杂. 进一步研究不同环境下纳米Al2O3改良水泥土动力特性有着重要的工程意义,而关于纳米Al2O3改良滨海水泥土的动力特性研究鲜见,且大多未系统探讨改良的微观机理进行.

本研究在水泥与湿土的质量比为7%条件下,利用真/动三轴仪对纳米Al2O3改良水泥土的动应力–应变曲线、动弹性模量以及阻尼比进行试验研究,结合扫描电镜(SEM)和核磁共振(NMR)试验,探究纳米Al2O3改良水泥土的孔隙变化及微观结构,分析纳米Al2O3改良后水泥土的动力特性及微观孔隙变化,以期为实际工程建设提供理论参考.

1. 试验介绍

1.1. 试验仪器

循环加载试验采用电机式动静态真/动三轴仪(GDSTTA,英国产),设备的最大围压、轴向荷载、振动频率分别为2 MPa、20 KN、5 Hz. 测量系统能够精确记录试样轴压、围压和反压等变化数据,本试验选用动力加载模块,采用0.000 1 mm高精度传感器实时精确测定轴向应变,通过控制振动频率对试样施加动循环轴向荷载. 核磁共振试验采用核磁共振分析仪(MicroM12-025VR,中国产),磁体强度为(0.28 ± 0.05) T,共振频率为12 MHz,采样线圈尺寸为 25.4 mm. 扫描电镜试验采用高分辨场发射扫描电子显微镜(Zeiss SIGMA,日本产),该设备包括电子光学系统、信号收集处理系统、图像显示和记录系统、真空系统、电源及控制系统,二次电子像的分辨率约为5~10 nm,背散射电子像的分辨率约为50~200 nm.

1.2. 试验材料

图1所示,试验土样取自广州某沿海施工现场的黏土,黄褐色,基本物理性质指标如下:天然密度为1.7 g/cm3,相对密度为2.68,液限为39.46%,塑限为19.46%. 水泥选用某水泥厂生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥,呈灰色粉末状,主要化学成分的质量分数如下:CaO为59.27%,SiO2为23.15%,Fe2O3为3.23%,Al2O3为6.13%,MgO为2.24%,K2O为0.87%,SO3为3.91%. 纳米Al2O3由杭州恒格纳米科技有限公司生产,呈白色粉末状,粒径为10~20 nm,比表面积为150±30 m2/g,松装密度为0.1~0.2 g/cm3,密度为2.44 g/cm3,纳米Al2O3晶型的质量分数大于99.9%. 沿海区域海盐质量浓度一般为35 g/L[22],随地下水距离海岸线的远近会使地下水含盐量发生变化,因试验工作量大且篇幅有限,仅选用海水素模拟配制2种海水环境,分别取35.0、70.0 g海水素于1 L清水中,配置海盐的质量分数ws分别为3.5%、7.0%的腐蚀溶液.

图 1

图 1   改良土试验材料

Fig.1   Test material of modified soil


1.3. 试样制备及方案

1.3.1. 试样制备

将黏土放入105 ℃干燥箱中脱水24 h,冷却破碎后过2 mm筛,保存在透明密封袋中待用. 按黏土的水的质量分数最优为20%和最大干密度为1.6 g/cm2制备重塑土样,将黏土、水泥和纳米Al2O3粉末按配合比混合搅拌,待搅拌至分散状态后加水充分拌和,在制样器中分5层压实,制成直径Φ=50 mm、高H=100 mm的圆柱体试样,并用剩余土料制成Φ=15 mm、H=20 mm的圆柱试样用于NMR试验,将制备好的水泥土试样静置24 h后,放入不同质量分数的腐蚀溶液(ws=3.5%、7.0%)中腐蚀28 d,设置清水环境(ws=0)为对照组. SEM试样取自循环加载试验后试样的中间部分,先放入无水乙醇中浸泡,再破碎成长、宽均为5 mm,厚为2 mm的平整试件,干燥后真空喷金处理.

1.3.2. 试验方案

试样在动三轴试验前须先进行真空饱和处理,再放入真/动三轴仪中反压饱和至饱和度大于0.95,随即开始循环加载试验. 循环加载试验波形采用正弦波加载,围压固定为200 kPa[23],动应力幅值分10级进行逐级递增施加,固定每级振动10次,取振动频率f分别为1、2、3 Hz[24-25],腐蚀环境为不同质量分数的海盐溶液(ws=0、3.5%、7.0%),动应力为100~1000 kPa. 通过TSZ-2型全自动三轴仪进行纳米Al2O3掺量(纳米Al2O3与湿土的质量比)$\;\beta $改良试验,得到0.25%. 循环加载试验结束后,取不同腐蚀环境的核磁试样和处理后的SEM试件分别进行NMR试验、SEM试验,探究腐蚀环境对孔隙影响.

2. 动力特性分析

2.1. 动应力–应变关系

为了探究不同加载频率、不同腐蚀环境下纳米Al2O3改良水泥土的应力$\sigma_{\mathrm{d}} $–应变$ \varepsilon_{\mathrm{d}} $曲线变化规律,试验数据采用相同分析手段,选取每级动荷载的第4~7次滞回曲线顶点均值绘制非线性骨干曲线如图2所示.

图 2

图 2   改良水泥土的动应力−应变曲线

Fig.2   Dynamic stress-strain curves of modified cement soil


2.1.1. 加载频率影响

图2可以看出,在腐蚀环境相同的情况下,不同加载频率对纳米Al2O3改良水泥土强度影响显著,动应力–应变曲线随加载频率增加逐渐上移,低加载频率对改良水泥土的轴向形变影响较大. 究其原因,在动荷载作用下,改良土的轴向变形主要由试样孔隙压缩及土颗粒与纳米Al2O3相互挤压缩合变得更加密实而引起. 根据王元东等[26]研究,相同振次下荷载振动频率越低,对土体做功的总时间越长,转移到土体上的动能越多. 因此,在相同动应力的情况下,低频加载作用使土体颗粒间的孔隙压缩量更大,表现为更大的动应变. 由于纳米Al2O3颗粒加速了硅酸盐水泥中硅酸盐和铝酸盐的水化反应,促进了胶凝物质的更快形成,填充细化了孔隙,使改良土颗粒间孔隙率减小,抗压强度得到进一步提升,一定程度上减缓了土颗粒间孔隙的压缩速率,使土体在高频加载作用下抗压效果更加明显,对应更小的动应变. 上述变化的宏观表现为改良土的动应变在高加载频率时较小,低加载频时较大.

2.1.2. 腐蚀环境影响

f=1 Hz时,不同腐蚀环境下改良水泥土动应力–应变曲线如图3所示. 该曲线随海盐质量分数增加逐渐向下移动,在动应力相同情况下,海盐质量分数大的腐蚀溶液产生的动应变更大,土体抵抗动荷载的能力大幅度减弱,表明改良土应变受海盐质量分数大的腐蚀溶液的影响显著[6]. 在动应变变化前期,ws对改良土的动应变影响较小,曲线相互靠拢,随动应力继续增大,曲线逐渐分离,动应变逐渐变大. 究其原因,试样在经过ws大的溶液腐蚀后,溶液中的众多腐蚀离子渗透试样[9],其中以氯离子(Cl)为主,表现为溶液中氯离子与水泥水化的Ca(OH)2反应生成CaCl2,部分CaCl2再与铝酸三钙C3A反应生成C3A·CaCl2·H2O,一定程度上阻止了Al2O3与Ca(OH)2反应,使得C-A-H凝胶减少,导致改良土结构松散化,动应变增大,随着动应力幅值不断增加,改良土体产生的塑性变形逐渐变大.

图 3

图 3   不同腐蚀环境下改良水泥土动应力−应变曲线

Fig.3   Dynamic stress-strain curves of modified cement soil under different corrosion environments


2.2. 动弹性模量特性分析

土体动弹性模量Ed是指土体在动荷载作用下的弹性模量,以滞回曲线两端点连线的斜率表示,即动应力与动应变的比值[27],表达式为

$ {E_{\text{d}}} = \frac{{{\sigma _{{\text{d,max}}}} - {\sigma _{{\text{d,min}}}}}}{{{\varepsilon _{{\text{d,max}}}} - {\varepsilon _{{\text{d,min}}}}}}. $

式中:σd,maxσd,minԑd,maxԑd,min为某滞回圈中最大与最小动应力和动应变. 取每级动荷载的第4~7次动弹性模量均值作为该级荷载的动弹性模量,绘制相同动应力幅值作用下动弹性模量的变化关系曲线.

2.2.1. 加载频率影响

在不同腐蚀环境、不同频率作用下纳米Al2O3改良水泥土动弹性模量–动应力曲线如图4所示. 曲线随着加载频率增加逐渐上移,高频加载产生的动弹性模量更大. 究其原因,在加载过程中,相同动应力作用下,高频加载表现为动应力作用在土体的时间减少,使得滞回圈最大、最小动应变间的差值变化量降低,导致动弹性模量增大,曲线上移. 动弹性模量随动应力增大逐渐减小,中期下降的速率最快. 这是由于动应力加载初期,土体变形主要以弹性变形为主,在小应力加载下,纳米Al2O3颗粒可有效抵抗循环荷载作用,初始动弹性模量较大;随着动应力增大,土体变形逐渐转化为弹塑性变形,土颗粒发生相互滑动,结构发生软化[27],导致改良土动弹性模量快速下降;当动应力增加到较大值时,改良土被进一步压缩,纳米Al2O3颗粒与土颗粒间孔隙被紧密压实,颗粒间相互作用力增强,改良土动弹性模量下降速率降低.

图 4

图 4   改良水泥土动弹性模量−动应力曲线

Fig.4   Dynamic elastic modulus-dynamic stress curves of modified cement soil


2.2.2. 腐蚀环境影响

σd=200 kPa时,不同加载频率下纳米Al2O3改良水泥土动弹性模量-海盐质量分数关系曲线如图5所示. 改良土动弹性模量随海盐质量分数增加而降低,在f=1 Hz时,动弹性模量随海盐质量分数增加而下降的幅值较大,f≥2 Hz时,下降的幅值减小,说明改良土体在低振动频率下受到海盐质量分数大的溶液腐蚀的影响更加显著. 分析可知,水泥基材料强度主要来源于水泥水化,生成水化硅酸钙(C-S-H凝胶)产生黏结力,使土体颗粒相互嵌合黏结. 随着水化反应持续进行,水泥水化速率降低[28],掺入纳米Al2O3会促进水泥土中水泥的早期水化反应,使水泥土在短期内达到较高的强度. 海盐质量分数大的溶液中存在大量腐蚀因子,随着海水不断渗入,水泥土内部结构不断发生变化,胶结物质和纳米Al2O3颗粒嵌合形成的颗粒骨架因腐蚀因子的进入遭受严重破坏.

图 5

图 5   不同频率下改良水泥土动弹性模量与海盐质量分数变化关系

Fig.5   Relationship between dynamic elastic modulus of modified cement soil and mass fraction of sea salt at different frequencies


2.3. 等效阻尼比变化规律

图6所示为黏弹性体单个周期的应力-应变滞回圈示意图. 土体等效阻尼比反映土体在动力加载过程中因阻尼消耗的能量比,体现了土体动应力应变的滞后性,可用土体单个周期内能量损耗ΔW与该循环中储存总能量W比值表示[29]

图 6

图 6   改良水泥土应力-应变滞回圈

Fig.6   Stress-strain hysteresis curve in modified cement soil


$ \lambda =\frac{\Delta W}{4{\text{π}} W}. $

ΔW近似为滞回曲线面积,W近似为OAA'的面积.

2.3.1. 加载频率影响

图7所示为不同腐蚀环境、不同频率条件下纳米Al2O3改良水泥土阻尼比-动应力曲线. 观察曲线的整体变化趋势可知,改良土阻尼比随动应力幅值增加逐渐变大,原因是加载前期改良土刚度大,土体在小应力作用下反应更加及时,抵抗阻尼所消耗的能量低,随着动应力增大,土体产生塑性变形,抵抗阻尼所消耗的能量变高. 阻尼比-动应力曲线在不同加载频率下均出现交汇点. 在动应力加载初期,加载频率对阻尼比影响较小,随着动应力不断增加达到交汇点后,加载频率对阻尼比影响显著,曲线逐渐分离,且高频加载对应更小的阻尼比. 改良土中纳米Al2O3颗粒和胶凝物质结合形成致密胶凝体,具有良好减震效果,使荷载在土体间的传递效率提高,加载过程中的抵抗阻尼所消耗的能量减少,因此在应力较低的加载初期,土体内部胶结物质和纳米Al2O3颗粒对低频加载的减震效果显著,使动荷载传递效率变高,能耗减小,而高加载频率对土体产生短暂的瞬时功,胶结物质和纳米Al2O3颗粒反应不及时,荷载传递效果差,消耗的能量较多,阻尼比变大. 在动应力较大时,在低频加载下土体中的孔隙及胶凝物质压缩量更大,塑性变形更加明显,对应更高的能量损耗,表现为更大的阻尼比.

图 7

图 7   改良水泥土阻尼比−动应力曲线

Fig.7   Damping ratio-dynamic stress curves of modified cement soil


2.3.2. 腐蚀环境影响

图7可以看出,随着海盐质量分数增加,交汇点逐渐向右移动. 原因是高质量分数海盐溶液对土体腐蚀影响严重,使内部颗粒骨架间出现较大松动,需要在更大的动应力作用下才能使土体结构压实致密,从而表现为交汇点在随海盐质量分数的增加而向右偏移,表明腐蚀因子进入使海盐溶液中的土体结构遭到不同程度的破坏.

σd=200 kPa时,纳米Al2O3改良水泥土阻尼比–海盐质量分数变化曲线如图8所示. 不同加载频率下纳米Al2O3改良水泥土阻尼比随海盐质量分数增加而增大. 在f≥2 Hz时,阻尼比随海盐质量分数增加的变化更大,进一步体现了加载初期改良土对荷载反应的滞后性,表现为改良土对高频作用下的动荷载反应不及时,且在海盐质量分数大的腐蚀溶液中产生的阻尼比更大.

图 8

图 8   不同频率下改良水泥土阻尼比与海盐质量分数变化关系

Fig.8   Relationship between damping ratio of modified cement soils and mass fraction of sea salt at different frequencies


3. 微观分析

3.1. 扫描电镜试验

为了分析不同腐蚀环境下纳米Al2O3改良水泥土的微观结构及孔隙变化,对纳米Al2O3改良水泥土进行扫描电镜微观试验,并与素水泥土进行对比. 如图9所示为放大3 000倍的纳米Al2O3改良水泥土扫描电镜图. 观察图9(a)可以明显发现:土颗粒之间出现大量的棒状、杆状的C-S-H凝胶和C-A-H凝胶以及针状的钙矾石(AFt),这些形态各异的胶凝物质重重叠加,包裹着土颗粒相互堆积,形成纤维网状,土体中分散单元少,颗粒骨架集中,块状、纤维状、颗粒状物质紧紧胶结在一起,形成致密结构[14]. 为了进一步地观察此致密结构,将图9(a)中的致密结构放大到10 000倍,如图10(a)所示,土体结构基本嵌合在一起,颗粒间孔隙和裂缝被凝胶物质覆盖填充,表现为颗粒-凝胶-颗粒-凝胶结构,凝胶物在土颗粒中广泛分布. 观察图9(b)可以看到:棒状、杆状构成的纤维结构减少,有少量大、小孔隙出现,说明海水中腐蚀性因子进入土体破坏了土体结构,导致致密性减弱. 由图10(b)可以看出,部分微小孔隙出现,空间网状结构包裹性变弱,表明纳米Al2O3改良水泥土在低浓度海盐溶液腐蚀下,土体结构会轻微劣化,纳米Al2O3改良效果下降. 观察图9(c)可以看出:C-S-H凝胶和C-A-H凝胶因腐蚀作用被溶解,晶体结构生长被阻断,颗粒间形成架空结构[1],土体孔隙变多且出现较大孔洞及孔隙,土体颗粒骨架遭到破坏,结构的致密程度大幅度下降. 由图10(c)可以看出,颗粒间纤维状凝胶较少,出现较多结构裂缝和孔隙,颗粒之间胶结不明显,表明海盐质量分数大的溶液对改良土体劣化严重. 观察图9(d)可以看到,土体中凝胶物质较少,有微量孔隙出现;由图10(d)可以看到微量裂缝以及其周边分散的大聚粒,对比图9(a)可知,纳米Al2O3能够明显改善土体孔隙致密度,优化水泥土孔隙结构,提高其堆积密实度,增强水泥土的强度和抗腐蚀性. 纳米Al2O3改良水泥土微观特性与Mir等[16,18]通过扫描电镜观察到的纳米Al2O3改良土及水泥基材料的致密结构现象一致.

图 9

图 9   纳米Al2O3改良水泥土扫描电镜图(放大倍数为3000)

Fig.9   SEM diagram of nano-Al2O3 modified cement soil(magnification of 3000)


图 10

图 10   纳米Al2O3改良水泥土扫描电镜图(放大倍数为10 000)

Fig.10   SEM diagram of nano-Al2O3 modified cement soil(magnification of 10 000)


3.2. 核磁共振试验

利用核磁共振试验对土样进行进一步分析,由傅里叶转换可以得到土样中孔隙水的弛豫时间T分布曲线. 如图11所示为不同腐蚀环境下纳米Al2O3改良水泥土的孔隙水弛豫时间分布曲线,曲线呈双峰结构,有不明显第三峰出现,T与孔隙直径成正比,信号强度AS峰值对应孔隙的大小,3个峰从左到右依次对应微孔、中孔和大孔[30]. 可以看出,改良土主要以微孔和中孔为主,大孔隙在ws=0和3.5%的低腐蚀环境中几乎不存在,在ws=7.0%高腐蚀环境下存在较大孔隙,更好地解释了扫描电镜试验中高腐蚀环境下土样出现的大孔洞和裂缝现象. 曲线所围区域对应的峰面积反应孔隙体积,峰值越小,所围成的峰面积相对减小. 由图11可知,信号强度峰值随ws的减小而降低,峰面积相应减小,说明低腐蚀环境下因纳米颗粒的改良,孔隙得到有效填充,孔隙率减小,结构稳定性增强.

图 11

图 11   不同腐蚀环境下纳米Al2O3改良水泥土弛豫时间分布曲线

Fig.11   Relaxation time distribution curve of nano-Al2O3 modified cement soil under different corrosion environments


图12所示为纳米Al2O3改良前、后水泥土的孔隙水弛豫时间分布曲线. 可以看出,水泥土经纳米Al2O3改良后信号强度峰值明显降低,峰面积显著减小,主峰峰值在高腐蚀环境中下降较少. 观察结果表明,纳米Al2O3在高腐蚀环境中的改良效果减弱,该结果与扫描电镜分析结果一致.

图 12

图 12   纳米Al2O3改良前、后的水泥土弛豫时间分布曲线

Fig.12   Relaxation time distribution curve of cement soil before and after modification with nano-Al2O3


3.3. 改良机理分析

结合微观试验及作用机理分析,提出如图13所示的纳米Al2O3改良水泥土作用机理模型,总结纳米Al2O3改良水泥土的作用机理为促进水泥水化、火山灰反应、填充作用.

图 13

图 13   纳米Al2O3改良水泥土微观作用机理模型

Fig.13   Microscopic mechanism model of nano-Al2O3 modified cement soil


促进水泥水化:水泥土加入纳米Al2O3后,水泥会迅速发生水化反应,主要表现为硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)等物质与水反应,生成水化硅酸钙(C-S-H凝胶)、氢氧化钙Ca(OH)2、AFt和单硫型水化硅酸铝钙(AFm)等,化学反应式为

3CaO·SiO2+nH2O$\overline{\overline{\;\;\;\;\;\;\;\;\; }} $xCaO·SiO2·yH2O+(3−x)Ca(OH)22CaO·SiO2+nH2O$\overline{\overline{\;\;\;\;\;\;\;\;\; }} $xCaO·SiO2·yH2O+(2−x)Ca(OH)2Ca3Al2O6+CaSO4·2H2O+H2O$\xrightarrow{\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;} $AFtCa3Al2O6+Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O+H2O$\xrightarrow{\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;} $AFm

随水化反应快速进行,产生热量,使孔隙水部分消散,土体颗粒进一步聚集,强度提高.

火山灰反应:纳米Al2O3具有较高的火山灰活性,可与水泥水化生成的Ca(OH)2反应,消耗部分不稳定的大体积游离Ca(OH)2晶体,生成(C-A-H凝胶),化学反应式为

Al2O3+Ca(OH)2+nH2O$\xrightarrow{\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;} $Ca·Al2O3·(n+1)H2O

填充作用:纳米Al2O3活性高,粒径小,对土体孔隙有良好的物理填充效果,纳米Al2O3促进水泥水化和火山灰反应生成的C-S-H凝胶、C-A-H凝胶对颗粒孔隙包裹填充,有良好的化学填充效果.

相比于普通水泥土,在水泥土中掺入适量的纳米Al2O3后,土体颗粒表面会迅速产生大量胶凝物质堆叠填充于孔隙与颗粒之间,形成致密结构,能够有效增强水泥土强度及结构稳定性,降低海水侵蚀作用.

4. 结 论

(1)在海水腐蚀环境相同的情况下,纳米Al2O3改良水泥土的动应变随着加载频率增大逐渐减小,当海盐质量分数发生改变时,改良水泥土在海盐质量分数大的腐蚀溶液中产生的动应变更大.

(2)在海水腐蚀环境相同的情况下,纳米Al2O3改良水泥土动弹性模量随加载频率增大逐渐增大,随海盐质量分数的增加而降低;改良水泥土的动弹性模量-动应力幅值关系曲线随应力幅值的增大先逐渐减小后趋于平缓,水泥土受纳米Al2O3改良效果明显.

(3)纳米Al2O3改良水泥土阻尼比随动应力幅值增加逐渐变大;不同加载频率下的阻尼比-动应力曲线均出现交汇点,交汇点随海盐质量分数增加逐渐向右移动;随着动应力加载增大,加载频率越大,抵抗阻尼作用的能量消耗越小.

(4)纳米Al2O3改良水泥土的SEM图显示,改良水泥土体中出现大量纤维网状致密结构,使得土孔隙被C-S-H、C-A-H凝胶包裹填充,在低质量分数海盐溶液作用下改良水泥土体的致密性更好,具有更好的胶结效果.

(5)纳米Al2O3改良水泥土在低腐蚀环境中的小孔隙明显少于高腐蚀环境中的小孔隙,改良水泥土信号强度峰值减小. 相比于素水泥土,纳米Al2O3改良水泥土主峰峰值显著降低,土体内孔隙数量明显减少,土体结构稳定性更强.

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