浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2026, 60(4): 822-832 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2026.04.014

土木工程、交通工程

氧化石墨烯改性滨海水泥土的静动力学性能及微观机理

王伟,, 吴鸿祥, 封天洪, 李娜, 姜屏,, 梅国雄

1. 绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000

2. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021

Static dynamic properties and micro-mechanisms of graphene oxide-modified coastal cement soils

WANG Wei,, WU Hongxiang, FENG Tianhong, LI Na, JIANG Ping,, MEI Guoxiong

1. School of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing 312000, China

2. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China

通讯作者: 姜屏，男，副教授. orcid.org/0000-0002-8936-9773. E-mail：jiangping@usx.edu.cn

收稿日期: 2025-04-29  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52179107).

Received: 2025-04-29  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目(52179107).

作者简介 About authors

王伟（1977—），男，教授，博士，从事软土地基加固研究.orcid.org/0000-0002-7231-6675.E-mail：wellswang@usx.edu.cn , E-mail：wellswang@usx.edu.cn

摘要

为了探究氧化石墨烯(GO)对水泥土静、动力学性能的改性效果及微观机理，通过无侧限抗压试验和动三轴试验测量氧化石墨烯改性水泥土(GOCS)的无侧限抗压强度、弹性模量、累计塑性应变、动弹性模量和阻尼比，并通过SEM、XRD和BET测试探究GOCS的微观表征、物相组成和孔隙结构. 试验结果表明：1）随着GO质量分数的增加，GOCS的无侧限抗压强度和弹性模量逐渐增大，当GO质量分数为0.05%时达到最大值. 2）随着围压的上升，GOCS的累积应变和动弹性模量逐渐增大，阻尼比逐渐减小. 3）随着GO质量分数的增加，GOCS的累计应变和阻尼比逐渐减小，动弹性模量逐渐增大. 4）建立2个数学模型分别表征围压、GO质量分数和累计应变，以及GO质量分数、静弹性模量和动弹性模量之间的关系，结果显示拟合值与实测值的误差均小于5%，预测模型具有一定的可靠性. 5）GO的掺入能够降低GOCS内CH晶体的取向指数，使其内部结构变得更加密实. 本研究结果为GO在软土地基加固工程的应用提供了一定的技术参考.

关键词： 氧化石墨烯 ; 滨海水泥土 ; 无侧限抗压强度 ; 动三轴试验 ; 微观结构

Abstract

In order to investigate the modification effect and micro-mechanism of graphene oxide (GO) on the static and dynamic properties of cement soil, the unconfined compressive strength, modulus of elasticity, cumulative plastic strain, dynamic modulus of elasticity, and damping ratio of graphene oxide-modified cement soil (GOCS) were measured by unconfined compression tests and dynamic triaxial tests, and the microscopic characterization, phase composition, and pore structure of GOCS were explored via SEM, XRD, and BET tests. The test results showed that 1) The unconfined compressive strength and modulus of elasticity of GOCS gradually increased with the increase of GO mass fraction and reached the maximum value when the GO mass fraction was 0.05%. 2) As the confining pressure increased, the cumulative strain and dynamic elastic modulus of GOCS gradually increased, and the damping ratio gradually decreased. 3) With the increase of GO mass fraction, the cumulative strain and damping ratio of GOCS gradually decreased, and the dynamic elastic modulus gradually increased. 4) Two mathematical models were established to characterize the relationship between confining pressure, GO mass fraction, and cumulative strain as well as between GO mass fraction, static elastic modulus, and dynamic elastic modulus, and the results showed that the errors between the fitted values and the measured values were within 5%, and the prediction models had certain reliability. 5) The incorporation of GO could reduce the orientation index of CH crystals within GOCS and make its internal structure denser. The results provided some technical references for the application of GO in soft ground reinforcement engineering.

Keywords： graphene oxide ; coastal cement soil ; unconfined compressive strength ; dynamic triaxial test ; microstructure

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本文引用格式

王伟, 吴鸿祥, 封天洪, 李娜, 姜屏, 梅国雄. 氧化石墨烯改性滨海水泥土的静动力学性能及微观机理. 浙江大学学报(工学版)[J], 2026, 60(4): 822-832 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2026.04.014

WANG Wei, WU Hongxiang, FENG Tianhong, LI Na, JIANG Ping, MEI Guoxiong. Static dynamic properties and micro-mechanisms of graphene oxide-modified coastal cement soils. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2026, 60(4): 822-832 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2026.04.014

鉴于全球土地资源匮乏，规划空间有限，某些铁路和公路不得不经过地质条件较差的软土地区. 软土地基具有压缩性高、承载能力低和水的质量分数高等缺陷[1]，导致工程施工及维护成本显著增加[2]. 目前软土地基加固通常采用水泥、石灰之类的传统固化剂. 这些传统固化剂虽取材方便、价格低廉，但在生产的过程中会排放大量CO2、粉尘、SO2及重金属污染物，引发温室效应、酸雨形成和水资源污染[3]. 因此，寻找低能耗、无污染的软土加固材料显得格外重要.

纳米材料具有较高的比表面积和化学活性，被广泛应用于软土地基加固领域[4]. 氧化石墨烯(GO)作为新型纳米材料，凭借其独特的网状结构可以有效增强土颗粒间的黏结性[5]. 此外GO表面的―OH、―COOH和―O―等官能团能够促进水泥的水化反应，生成更多水化产物，提高土体的密实度[6]. 许多学者研究了GO改性水泥土或原状土的静力学特性. Saleem等[7]的研究表明添加适量的GO后膨胀土的无侧限抗压强度(UCS)最大提高了近10倍，膨胀压力明显降低. Aziz等[8]利用水泥和GO改性了淤泥土，发现随着GO的质量分数增加至0.1%，试样的UCS最大增加了约62%，破坏应变最多降低了约20%. Zhang等[9]对添加0.05%~0.20%质量分数GO的膨胀土进行三轴试验，结果表明0.10%质量分数的GO对膨胀土抗剪强度的改性效果最好；与对照组相比，GO改性试样的应力-应变曲线表现出更明显的应变软化特征. Naseri等[10]通过直剪试验和UCS试验发现添加0.02%~0.10%质量分数的GO可以显著改善软土的UCS和抗剪强度. Li等[11]的研究表明添加0.09%和15.00%质量分数的GO和水泥可以显著提升黄土的UCS和抗弯强度，而当GO质量分数大于0.09%时，难以分散均匀，导致黄土的UCS和抗弯强度出现下降.

虽然已有许多研究探讨了GO和水泥改性软土(GOCS)的静力学特性，但实际工程中软土地基不可避免的会受到地震、海浪、交通荷载等动荷载影响，因此研究GOCS的动力特性也极为重要[12]. Fu等[13]通过共振柱试验研究小应变范围内(γ=10−6~10−4) GOCS的动剪切模量G和阻尼比λ的变化规律，结果表明随着GO质量分数逐渐增大至0.05%，G逐渐上升，λ逐渐下降. 本研究通过动三轴试验系统研究较大应变范围内(γ=10−3~10−2)，不同养护龄期、GO质量分数和围压(σ3)下GOCS的动力特性. 此外，还结合扫描电子显微镜测试(SEM)、X射线衍射测试(XRD)和比表面积测试(BET)等微观测试研究GOCS的改性机理和孔隙分布，目的是为GOCS在实际工程中的应用提供理论基础.

1. 试验材料和方法

1.1. 试验材料

原材料包含滨海软土、水泥和GO. 滨海软土取自绍兴市某工地，干燥筛分后为黄褐色，如图1(a)所示. 土壤的基本性质如表1所示. 其中，ρmax为最大干密度，wt为水的质量分数最优值，Gs为比重，wp为塑限，wL为液限，Ip为塑性指数，IL为液性指数. 水泥采用PO42.5硅酸盐水泥，如图1(b)所示. GO溶液购自苏州碳丰石墨烯科技有限公司，GO的厚度为0.5 ~3.0 nm，片层直径为0.5 ~5.0 μm，比表面积为1000 ~1217 m2/g，如图1(c)所示. 原材料所含物质的质量分数wB如表2所示.

图 1

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图 1   试验材料的实物图

Fig.1   Physical drawings of test materials


表 1   滨海软土的基本性质

Tab.1  Basic properties of coastal soft soils

参数数值参数数值
ρmax /(g·cm−3)2.05wL /%36.3
wt /%19Ip14.1
Gs2.75IL0.55
wp /%22.2——

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表 2   试验材料的化学成分表

Tab.2  Table of chemical composition of test materials

材料化学
成分		wB /%材料化学
成分		wB /%材料化学
成分		wB /%
滨海
软土		SiO263.5水泥MgO3.3GOC42.4
Al2O318.1Al2O35.9O53.2
Fe2O37.5SiO220.4H1.9
K2O4.1SO33.2S1.8
MgO3.6CaO64.1其他0.7
其他3.2其他3.1——

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1.2. 试验方案

根据水泥土配合比设计规程(JGJ/T233—2011)[14]和已有研究[15]，每个GOCS试样的水泥质量设定为滨海软土质量的5%，试验配合比如表3所示. 其中， w(GO)、ww分别为GO和水的质量分数，指GO、水的质量与土、水泥和GO总质量的比值；T为养护龄期.

表 3   试验配合比表

Tab.3  Table of test mix ratios

式样编号w(GO) /%ww /%T/d
GOCS-00253，7，28
GOCS-0.010.01253，7，28
GOCS-0.030.03253，7，28
GOCS-0.050.05253，7，28

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1.3. 试样制备与养护

根据土工试验方法标准(GB/T50123—2019)[16]的规定，制备高为80 mm、直径为39.1 mm的圆柱体试样，制样步骤分为材料准备、材料搅拌、试样制备、试样养护4个步骤，制样流程如图2所示.

图 2

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图 2   试样制备流程图

Fig.2   Sample preparation flow chart


1.4. 测试方法

1.4.1. UCS测试

UCS试验使用浙江吉欧科公司生产的 LDF 型号UCS测试仪，最大施加10 kN的轴向荷载. 该仪器由力传感器、升降平台、数据采集系统和显示器4个部分组成. 测试时首先将试样放置于升降平台中心，然后上升平台使试样与传感器接触，最后设置参数开始试验，加载速率设定为1 mm/min.

1.4.2. 动三轴测试

试验仪器为欧美大地公司生产的DYNTTS型动三轴测试仪，该仪器由反压控制器、围压控制器、循环荷载控制主机、数据采集器和控制系统5个部分组成. 测试时将试样放置于压力室内，根据试验方案设置参数，对试样施加轴向动荷载. 参考已有研究[17]，试验中振动频率设定为1 Hz，σ3设定为50、100、200 kPa，加载循环次数为3000次. 循环应力比CSR设定为0.5，其表达式如下：

$ {\mathrm{CSR}}=\dfrac{{\sigma }_{{\mathrm{d}}}}{2{\sigma }_{3}}\times 100\text{%}. $

式中：σd为循环轴向动应力，σ3为围压.

1.4.3. SEM测试

SEM测试使用日本电子株式会社的 JSM-6360LV 型真空扫描电镜仪. 首先将试样粉碎成小颗粒后放入 LGJ-10A 型真空冷冻干燥机内进行脱水干燥，以抑制试样继续进行水化反应. 接着将试样颗粒粘贴在粘有导电胶的铝制承样盘上，并放入 JFC-1600型离子衍射仪内进行喷金处理，以提高试样的导电性. 最后，待喷金完成后将样品放入扫描电镜仪内开始测试.

1.4.4. XRD测试

XRD测试使用荷兰帕纳科公司的 EMPYREAN 型X-射线粉末衍射仪. 首先将粉碎后的试样颗粒冷冻干燥并研磨成粉末，接着将粉末均匀涂抹在载玻片上刮平，放入X-射线粉末衍射仪中进行测试. 测试采用Cu-Kα射线，以2° /min的扫描速率对样品进行扫描，衍射角2θ设置为0°~90°.

1.4.5. BET测试

采用BET测试测量GOCS中的孔隙分布情况. 试验仪器为麦克默瑞提克仪器有限公司生产的TRISTAR Ⅱ 3020型全自动比表面积和孔隙度分析仪. 首先将待测样品装入样品管中并密封，然后对样品进行脱气处理，去除表面的水分或杂质，接着将样品置于氮气环境中进行氮气吸附，逐步调节氮气压力，记录不同压力点下的氮气吸附量.

2. 结果与分析

2.1. UCS实验结果

2.1.1. 应力-应变曲线和UCS

如图3(a)、(b)、(c)所示分别为养护3、7、28 d时GOCS的应力-应变曲线. 其中，$\varepsilon $和σ分别代表GOCS的轴向应变和轴向应力. 可以看出GOCS的应力-应变曲线均为应变软化型曲线[18]. 相较于GOCS-0，其他试样的峰值应变明显向右偏移，UCS也有所增加，说明添加GO可以同时提升水泥土的塑性和抗压强度.

图 3

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图 3   不同养护龄期和GO质量分数下GOCS的应力-应变曲线

Fig.3   Stress-strain curves of GOCS at different ages of maintenance and GO mass fractions


图3还展示了各个试样的UCS，可以看出，相较于GOCS-0，GOCS-0.01、GOCS-0.03和GOCS-0.05在不同养护龄期下的UCS分别增加了6%~8%、17%~21%和29%~40%，且随着GO质量分数的增大，UCS的提升幅度愈发显著. 这是因为GO表面富含―OH、―COOH和―O―等含氧官能团，这些含氧官能团在水化反应过程中通过静电吸附作用为水化产物提供大量的成核位点，使水化产物更加快速、均匀的沉积[19]. 此外，随着养护龄期从3 d增加至7 d，再从7 d增加至28 d，GOCS的UCS分别提高了6%~10%和21%~30%，说明养护28 d时GOCS的水化反应更加充分，水化产物黏结在土颗粒之间，使GOCS的内部结构更加密实[20].

2.1.2. 弹性模量

为了评估GOCS的抗变形能力，采用弹性模量E50来量化GOCS的刚度. E50为UCS试验中峰值应力50%处轴向应力与轴向应变的比值，其表达式[21]如下.

$ {E}_{50}=50{\text{%}}\times \frac{{q}_{{\mathrm{u}}}}{{\varepsilon }_{50}}. $

式中：E50为GOCS试样的弹性模量，qu为GOCS的试样的UCS，$ \varepsilon $50为试样50%峰值应力处所对应的轴向应变.

表4展示了各个GOCS试样的E50，可以看出，随着GO质量分数的增加，GOCS的E50逐渐增大. 当养护龄期为3、7、28 d时，GOCS-0.01、GOCS-0.03和GOCS-0.05的E50相比于GOCS-0分别提升了1%~17%、2%~18%和4%~27%，当GO质量分数为0.05%时，E50的提升效果最为显著. 此外，养护龄期对E50的影响也十分显著，当养护龄期从3 d增加至7 d，再从7 d增加至28 d时，GOCS的E50分别提升了12%~14%和19%~2%.

表 4   不同养护龄期和GO质量分数下GOCS的E50

Tab.4  E50 of GOCS at different curing ages and GO mass fractions

试样编号E50 /MPa
3 d7 d28 d
GOCS-016.618.623.0
GOCS-0.0116.819.024.0
GOCS-0,0318.721.025.0
GOCS-0.0519.522.029.0

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2.2. 动三轴试验结果
2.2.1. 累积塑性应变

在地震、海浪、交通等动荷载作用下，路基会发生不可逆的塑性变形，造成潜在的安全隐患[22]. 通过动态三轴试验研究GOCS抵抗动荷载的能力，分析GO质量分数、σ3和养护龄期对GOCS的累积塑性应变$\varepsilon $1p、动弹性模量Ed及阻尼比λ等动力特性的影响. GOCS的$\varepsilon $1p如图4所示. 其中，N表示循环次数. 可以看出，在0~1000次循环荷载内，GOCS的$\varepsilon $1p增长速率较快，当循环荷载增加至3000次时，$\varepsilon $1p逐渐趋于平稳[23]. 因此，本研究重点对循环次数为3000次时的$\varepsilon _{1{\mathrm{p}}} $($\varepsilon $1p3000)进行分析. 如图5所示展示了不同养护龄期下GOCS的$\varepsilon $1p3000. 可以看出，当养护龄期为3、7、28 d时，随着σ3从50 kPa增大至200 kPa，GOCS的$\varepsilon $1p3000分别增加了79%~103%、81%~95%和85%~96%. 随着σ3上升，土颗粒间的咬合力和摩擦力增大，使GOCS能在更高的轴向荷载作用下持续变形，产生更大的累积塑性应变[24]. 此外，GO质量分数对GOCS的$\varepsilon $1p3000也有显著的影响. 以养护3 d的GOCS为例，相较于GOCS-0，当σ3分别为50、100、200 kPa时，其他试样的$\varepsilon $1p3000分别降低了16%~48%、28%~55%和20%~44%. 造成这一现象的原因是GO能够促进水泥的水化反应，使GOCS中生成了更多水化产物，增强了GOCS抵抗变形的能力[25].

图 4

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图 4   不同养护龄期和GO质量分数下GOCS的$\varepsilon _{1{\mathrm{p}}} $

Fig.4   $\varepsilon _{1{\mathrm{p}}} $ of GOCS at different curing ages and GO mass fractions


图 5

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图 5   不同养护龄期和GO质量分数下GOCS的$\varepsilon $1p3000

Fig.5   $\varepsilon $1p3000 of GOCS at different curing ages and GO mass fractions


2.2.2. 累积塑性应变数学模型

已有学者建立了经验公式来描述$\varepsilon _{1{\mathrm{p}}} $和循环次数之间的关系[26]. 然而，已有的经验公并未考虑σ3、外加剂质量分数之类的等其他因素. 因此，本研究综合考虑函数的精度和简洁性后提出了一个新的经验公式，用来预测σ3、GO质量分数和$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}3000} $之间的关系，表达式如下：

$ z=a+b{x}^{{1}/{2}}+c{y}^{{1}/{2}}. $

式中：x为GO质量分数，y为σ3，z为$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}3000} $，a、b、c为拟合系数.

如图6所示为养护龄期为3 d和7 d时$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}3000} $的拟合结果. 可以看出，式(3)的拟合效果良好，R2分别为0.98和0.96. 为了验证该公式的准确性，将养护28 d时GOCS的$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}3000} $代入该公式进行验证，拟合结果如图7所示. 可以看出，尽管预测值与实际值之间存在一些误差，但相对误差小于5%，所有数据点均落在95%预测带之内，证明该经验公式的预测结果具有较高的准确度[27].

图 6

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图 6   养护3 d和7 d时GOCS的$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}3000} $拟合图

Fig.6   Fitting plots of $\varepsilon_{1{\mathrm{p}}3000} $ after curing 3 d and 7 d


图 7

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图 7   养护28 d时GOCS的$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}3000} $拟合图及误差范围

Fig.7   Fitted plot of $\varepsilon_{1{\mathrm{p}}3000} $ for GOCS at a curing age of 28 d and its margin of error


2.2.3. 动弹性模量

动弹性模量Ed为土体动应力幅值与弹性应变幅值的比值，反映了土体在动荷载下的结构稳定性. Ed越大，土体的刚度越高，在相同动应力下产生的累积塑性应变越小[28]. GOCS的Ed如图8所示. 可以看出，随着循环次数增加至3000次，GOCS的Ed先迅速上升，接着逐渐趋于稳定. 因此，本研究选取循环3000次时的Ed (Ed3000)作为研究对象.

图 8

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图 8   不同养护龄期和GO质量分数下GOCS的Ed

Fig.8   Ed of GOCS at different curing ages and GO mass fractions


如图9所示为不同的养护龄期和σ3下GOCS的Ed3000. 可以看出，当养护龄期为3、7、 28 d时，随着σ3从50 kPa增大至200 kPa，GOCS的Ed3000分别增加了74%~79%、10%~30%和15%~30%. 这是因为在较高的σ3下土颗粒间的咬合力和摩擦力增强，内部结构变得更加密实[29]. 此外，GO质量分数对GOCS的Ed3000也具有显著影响，以养护3 d的GOCS为例，当σ3等于50、100、200 kPa时，相较于GOCS-0，其他试样的Ed3000分别增加了26%~124%、30%~133%和30%~31%，说明GO的添加有利于提升GOCS的稳定性，能增强其抵抗动荷载的能力.

图 9

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图 9   不同养护龄期和GO质量分数下GOCS的Ed3000

Fig.9   Ed3000 of GOCS at different curing ages and GO mass fractions


2.2.4. 静、动弹性模量关系

对E50、Ed3000和GO质量分数进行拟合，综合考虑函数的精度和简洁性后提出了新的经验公式用于体现三者之间的关系，拟合公式表达式如下：

$ t=m+n{p}^{{1}/{2}}+k\ln \;q. $

式中：p为GO质量分数，q为E50，t为Ed3000，m、n、k为拟合系数.

如图10所示为σ3为50、100 kPa时Ed3000的拟合结果. 可以看出，式(4)的拟合效果良好，R2分别为0.95和0.96. 为了验证该公式的准确性，代入σ3等于200 kPa时GOCS的Ed3000进行验证，结果如图11所示. 可以看出，实测值与预测值之间的相对误差均小于5%，证明该经验公式的预测结果具有较高的准确度. 在实际工程中快速测量出土体的Ed具有较高的难度，通过该经验公式可以大致推断出土体的Ed，在一定程度上减少了实际工程的工作量[30].

图 10

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图 10   围压为50、100 kPa时Ed3000的拟合图

Fig.10   Fitting plots of Ed3000 at confining pressures of 50 kPa and 100 kPa


图 11

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图 11   围压为200 kPa时Ed3000的拟合图及误差范围

Fig.11   Fitting diagram of Ed3000 at confining pressure of 200 kPa and its error range


2.2.5. 阻尼比

阻尼比$\lambda $能够反映土体在动荷载作用下的能量耗散情况，$\lambda $越大表明土体损伤时对应的能量损耗越多. 随着循环次数累积至3000次，GOCS的$\lambda $先迅速下降，接着逐渐趋于稳定. 因此，本研究选取循环3000次时的阻尼比$\lambda $3000作为研究重点.

如图12所示为不同的养护龄期和σ3下GOCS的$\lambda $3000，可以看出当养护龄期为3、7、28 d时，随着σ3从50 kPa增大至200 kPa，GOCS的$\lambda $3000分别下降了25%~39%、49%~53%和35%~49%. 说明当σ3较大时，土颗粒间的摩擦力增大，难以发生滑移，减少了能量的损耗，GOCS的$\lambda $3000出现下降. 同时，GO质量分数对GOCS的$\lambda $3000也有所影响，以养护3 d的GOCS为例，当σ3等于50、100、200 kPa时，其他试样的$\lambda $3000相较于GOCS-0分别降低了24%~43%、18%~33%和18%~35%. 说明GO的添加有利于减少GOCS的孔隙率，增强密实度，减少动荷载作用下GOCS内部能量的耗散[13]. 值得注意的是GOCS-0.03与GOCS-0.05这2条曲线接近重合，说明当GO质量分数达到0.03%时，试样的内部结构已较为密实，继续添加GO对GOCS稳定性的提升效果并不明显.

图 12

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图 12   不同养护龄期和GO质量分数下GOCS的λ3000

Fig.12   λ3000 of GOCS at different curing ages and GO mass fractions


3. 微观测试结果

3.1. SEM测试

如图13所示为标准养护28 d后GOCS放大2000倍的SEM图像. 图13(a)显示GOCS-0的内部结构较为松散，土颗粒间存在尺寸较大的孔隙，水化产物的含量较少. 图13(b)、(c)、(d)显示，在添加GO后的试样中没有观察到明显的孔隙，且随着GO质量分数的增大试样内部出现了更多片状水化产物，这些水化产物胶结在土颗粒之间，增强了内部结构的密实性[25]. 这一现象表明添加适量的GO能够促进水泥水化反应，生成更多的水化产物，从而改善GOCS的UCS、E50、$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}} $等力学性能[31-32]. 值得注意的是，本研究只对养护28 d后不同GO质量分数的试样进行了SEM测试，若要进一步观察不同养护龄期下GOCS中水化产物的形貌，可以对不同养护龄期的试样进行SEM测试.

图 13

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图 13   养护龄期为28 d时GOCS的SEM图像

Fig.13   SEM image of GOCS at a curing age of 28 days


3.2. XRD测试

为了探究GOCS的物相组成，对养护28 d后的GOCS试样进行XRD测试，测试结果如图14所示. 其中，I为衍射峰强度. 可以看出，在不同的GOCS试样中均检测到了二氧化硅(SiO2)、氢氧化钙(CH)和水化硅酸钙(C―S―H)的衍射峰. 此外，在所有GOCS试样中并没有发现新的特征峰出现，这说明添加GO并不会使GOCS生成新的产物.

图 14

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图 14   养护龄期为28 d时GOCS的XRD图像

Fig.14   XRD image of GOCS at a curing age of 28 days


水泥基材料的主要水化产物包括C―S―H和CH，CH晶体的衍射峰值被认为是水泥基材料XRD测试中的主要指标之一，因为水化产物中的CH可用于跟踪C-S-H的变化量. 因此，Grandet和Ollivier提出了CH晶体取向指数概念来评估水泥基材料的界面性能[33]. GOCS的CH晶体取向指数以CH晶体的(001)和(101)晶面为基准面，在图14中分别对应衍射角$ 2\theta $=17.9°和34.9°[34]. CH晶体取向指数越低，材料的内部结构越致密[35]. CH晶体取向指数的表达式如下：

$ R=1.35\times \dfrac{{I}_{(001)}}{{I}_{(101)}}. $

式中：R为CH晶体取向指数，I(001)和I(101)分别为CH晶体(001)面和(101)面的衍射峰强度. 所有GOCS试样的CH晶体取向指数如表5所示. 可以看出，随着GO质量分数的增大，GOCS的CH晶体取向指数逐渐下降，说明GO能够促进水泥水化反应，生成更多CH晶体，从而提高GOCS的密实度，这与Li等[36]的研究结果相一致.

表 5   GOCS试样的CH晶体取向指数

Tab.5  CH crystal orientation index of GOCS specimens

式样编号I(001)I(101)R
GOCS-01080958402.50
GOCS-0.01982460342.20
GOCS-0.03971760672.16
GOCS-0.05968061152.14

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3.3. BET测试

为了探究GO质量分数对GOCS孔隙结构的影响，对养护28 d时的GOCS进行BET测试，测试结果如图15所示. 其中，D为孔隙直径，Vc为累积孔隙体积，Vp为孔隙体积. 图15(a)为GOCS的累积孔隙曲线. 可以看出，相较于GOCS-0，其他试样的累计孔隙体积明显下降，其中GOCS-0.05的累计孔隙体积最小. 图15(b)为GOCS的孔径分布图，可以看出，GOCS的孔隙直径主要分布在10 ~100 nm. 根据孔隙直径大小可将孔隙分为凝胶孔(＜10 nm)、毛细孔(10 ~1000 nm)和大孔(>1000 nm)，其中毛细孔又分为小毛细孔(10 ~100 nm)和大毛细孔(100 ~1000 nm)[37]. 根据图15中的测试结果，可以计算出各个GOCS中不同种类孔隙的体积，计算结果如图16所示. 图16显示随着GO质量分数增加至0.05%，GOCS中胶凝孔的比例逐渐上升，小毛细孔和大毛细孔的比例逐渐下降. GOCS-0.05中胶凝孔的占比最多，体积分数达到了23%，相较于GOCS-0的体积分数增加了4%. 这一现象说明GO能够细化试样的孔隙结构，一方面GO可以促进水泥水化，生成更多水化产物黏结在土颗粒之间. 另一方面，GO凭借其纳米级尺寸能够有效填充土颗粒间的孔隙，提高GOCS的密实度[15]. 为了更加清楚地展现GO的改性机理，引入GOCS的机理图，如图17所示[38].

图 15

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图 15   养护龄期为28 d时GOCS的BET图像

Fig.15   BET image of GOCS at a curing age of 28 days


图 16

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图 16   GOCS中不同种类孔隙占比图

Fig.16   Proportional plot of different types of porosity in GOCS


图 17

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图 17   GO在GOCS中的改性机理图

Fig.17   Modification mechanism diagram of GO in GOCS


4. 结　论

通过UCS试验和动三轴试验研究不同GO质量分数、σ3和养护龄期下GOCS的静、动力学特性，并建立2个数学模型预测GOCS的$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}3000} $和Ed3000. 同时结合SEM、XRD和BET测试探究GOCS的微观表征、物相组成和孔隙分布. 相较于以往研究，同时评估GOCS的静、动力学特性，为实际工程中的应用提供更加全面的理论依据. 本研究结果如下.

(1)添加0.01%~0.05%质量分数的GO能够显著提升GOCS的UCS和E50. GO的最佳质量分数为0.05%，相较于GOCS-0，GOCS-0.05的UCS和E50最多提升了40%和27%. 此外，养护28 d后GOCS中的水化反应更加充分，UCS和E50相较于养护3 d后的试样均有较大幅度提升.

(2)不同GO质量分数和σ3对GOCS的$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}} $、Ed和λ均具有显著影响. 在循环荷载作用下，随着σ3从50 kPa上升至200 kPa，相同GO质量分数下试样的$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}3000} $和Ed3000逐渐上升，λ3000逐步下降. 随着GO质量分数逐渐增加至0.05%，相同σ3试样的$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}3000} $和λ3000逐渐下降，Ed3000逐渐上升.

(3)建立了2个数学模型用于预测GOCS的$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}3000} $和Ed3000. 同时利用实测数据对模型的准确性进行验证，验证结果显示数学模型的预测结果准确，拟合值与实测值之间的误差均小于5%.

(4) SEM测试结果显示GO能够促进GOCS的水化反应，生成更多片状水化产物. XRD测试结果显示GOCS中主要有SiO2、CH、C―S―H等物质，随着GO质量分数的增大，CH晶体取向指数逐渐降低. BET测试结果显示添加GO后GOCS的孔隙结构得到了一定的改善，大毛细孔和小毛细孔的占比逐渐减小，胶凝孔的占比逐渐增大.

须说明的是，在软土地基加固工程中地基所受到的σ3一般为50 ~200 kPa. 因此本研究中的累积塑性应变和动弹性模量预测模型只对在此σ3范围内的GOCS的累积塑性应变和动弹性模量进行拟合和精度验证. 未来可以进一步评估更大σ3区间内式(3)、(4)的拟合精度. 此外，本研究只拟合了循环荷载次数为3000次时时GOCS的$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}3000} $与σ3、GO质量分数之间的关系. 未来可以采集不同循环荷载次数下GOCS的$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}} $，建立循环次数、$\varepsilon_{1{\mathrm{p}}} $和其他因素之间的数学模型.

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