纳米水泥土研究进展概述★

张茂花 刘亚静

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

纳米水泥土研究进展概述★

张茂花 刘亚静

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

对已有纳米水泥土的研究现状和研究成果(如纳米水泥土的强度特性、损伤特性、固化机理、抗腐蚀性等)进行了分析和总结，并提出了在纳米水泥土研究中亟待解决的一些问题，为其进一步研究和工程应用提供了方向。

水泥土，纳米材料，强度特性，损伤特性，固化机理，抗腐蚀特性

0 引言

水泥土作为一种建筑材料，在工程上具有广泛的应用[1,2]，但由于水泥土变形较大，承载能力不高，限制了其在工程上的进一步应用。随着科学技术的不断发展，各种外掺剂的应用改善了这种状况。目前硅粉[3]、粉煤灰等常见的超细微粒材料作为外掺剂应用于水泥土中已经很常见，而且研究发现它们对水泥土性能的改善主要是由于其本身具有火山灰效应。一般来说，颗粒越细，其火山灰活性就越高，也就是说纳米硅粉具有比普通硅粉更加明显的火山灰效应。因此把纳米硅粉等纳米材料掺入水泥土中，研究其对水泥土的改性作用已经成为一种新的探索。

2003年，王立峰[1]首次将纳米SiO2作为外加剂掺入普通水泥土中制备纳米SiO2水泥土，并且在大量试验的基础上研究了其工程特性。自此，关于纳米水泥土的研究相继开展，陆续有相关研究成果见诸报端。

本文综合整理归纳了近几年来纳米水泥土相关的研究报道，并且总结出纳米水泥土已经取得的一些研究进展，主要包括以下几个方面。

1 力学特性研究

1.1 强度特性

2003年，王立峰[1]选取纳米SiO2作为外加剂制备纳米SiO2水泥土，通过大量的三轴试验，深入地研究了其抗压强度的影响因素和变化规律。同年，李刚[2]对分别掺入纳米Al2O3及纳米TiO2的水泥土的工程性状进行了研究，并且在研究中增加了龄期和水灰比两个影响因素。研究表明，纳米SiO2对水泥土的抗压强度增强作用明显，且就强度而言，纳米SiO2掺量存在一个最佳掺量；并且探讨了纳米SiO2水泥土强度影响因素的主次顺序，依次为：水泥掺量、纳米SiO2掺量和土的含水量。而纳米Al2O3对水泥土的强度影响规律与纳米SiO2基本一致，但其增强效果略差；同时研究得出，纳米Al2O3水泥土强度影响因素的主次排列顺序与朱向荣等人研究结果稍有不同，依次是水泥掺量、土的含水量、纳米铝掺量、水灰比；而对于增加的两个影响因素龄期和水灰比，纳米Al2O3水泥土的强度随龄期增加而增强，水灰比则对其强度影响不大。而纳米TiO2水泥土的各龄期强度较普通水泥土强度均大幅度降低。这三种材料的对比让人们了解到不同的纳米材料对水泥土的无侧限抗压强度增强效果不同，并不是所有的纳米材料都可以用来做外加剂，人们应该致力于探索筛选最合适的纳米材料做外加剂。

之后有关纳米水泥土的研究中，人们通过建立各种模型和微观分析，深入的研究纳米水泥土的无侧限抗压强度。2005年，王立峰等人[3]在试验的基础上，建立了纳米硅水泥土抗压强度与几个主要影响因素间的关系模型，分析了相同强度条件下各因素间的关系。

之后2012年，在对纳米硅水泥土微结构和孔隙特性的研究[4]中，王立峰研究了其孔隙的大小和分布，用以解释抗压强度的分布规律，这对深入研究纳米水泥土抗压强度具有重要意义。对纳米水泥土无侧限抗压强度的研究表明，人们应该选择合适的纳米材料作为外加剂，并且通过对各个影响因素的具体分析，可以调整各个影响因素的控制值来配置具有最优性能的纳米水泥土。

1.2 变形特性

2003年王立峰[1]关于纳米硅水泥土工程特性的试验研究中对应力—应变曲线与破坏过程进行了描述，即纳米硅水泥土的应力—应变关系呈应变软化性，随着应力的变化，应变发展经历了三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。在实际工程中，土体的应力—应变关系十分复杂，因此必须建立一个准确合理的本构模型，为复杂结构的准确分析和合理设计提供强有力的理论基础和高效的运算手段。

2004年，在2003年试验的基础上，推导出纳米硅水泥土材料的弹塑性本构关系，给出了硬化模量的一般形式；并结合试验资料，推导出纳米硅水泥土的f(σij)—wp关系曲线，可方便地求出硬化模量；研究中还提出了纳米硅水泥土的屈服准则，不过未作深入分析[5]。

2005年推导出水泥土的屈服函数，建立了纳米硅水泥土在不同子午线下的屈服准则，并与常用的岩土材料屈服准则进行比较，结果表明本文建立的准则比较符合纳米硅水泥土的屈服性状[6]。

2006年王立峰等人[7]研究了纳米硅水泥土在三维应力空间上及子午面的破坏迹线及其特征，建立了一种5参数水泥土的破坏准则，与实测破坏曲面相比，结果表明该准则能很好地描述纳米硅水泥土在各种受力状态下的破坏特性，从给出的模型中可以方便地预计各种不同应力组合对材料的影响和破坏情况。

2009年王立峰等人[8]在2007年研究的基础上建立了轴对称条件下纳米硅水泥土有限元方程，用增量刚度求解，在三轴试验条件下验证了该程序的合理性；之后以某机场水泥土搅拌桩地基处理方法作为工程背景，应用不同纳米硅掺量的水泥土作为地基处理的新材料，与传统水泥土进行比较，结果表明，纳米硅作为水泥土外加剂用于地基处理可有效地减少地基沉降，提高地基承载力。

目前对纳米水泥土的力学性能研究如上文所述，明显并不完全，如在水泥土中所掺入的纳米材料种类过于单一，主要是纳米SiO2，而不同的纳米材料对水泥土的加固效果不同，且纳米材料的种类也越来越多，应该尽可能多地选择纳米材料种类掺入水泥土中进行试验，分析实验结果选择合适的纳米材料作为水泥土外加剂；在对纳米水泥土力学性能的研究中，除了无侧限抗压强度和σ—ε关系曲线外还可以选择其他指标进行试验比较，可以较为全面准确地描述纳米水泥土的力学性能。

2 损伤特性

2008年王文军等人[9]从损伤的角度出发分析纳米硅水泥土的力学特性，通过室内试验分析了无侧限单轴受压条件下纳米硅水泥土的荷载—变形全过程曲线及试样破坏特性，探讨了纳米硅水泥土损伤变量的演化规律，并分析了纳米硅粉掺入比对水泥土损伤特性的影响。同年，陈志新[10]建立了不同纳米硅粉掺入比下的损伤演化方程，进而推导出损伤本构模型，他与王文军采用不同的定义选用不同的有效弹性模量，所以推导出的损伤变量略有不同。试验推导出了纳米硅水泥土的损伤演化方程，具体形式及参数选择因水泥掺合比、纳米材料和掺合比等的不同而异。

纳米硅水泥土损伤特性的研究为研究纳米硅粉对水泥土的微观改性机理提供了参考，因此今后可以进一步从损伤角度出发研究纳米材料对水泥土的微观改性机理。

3 固化机理研究

2004年王文军[11]探讨了纳米硅粉在水泥水化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异特性，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；充填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；掺加纳米硅粉可以改善胶凝物质与土颗粒之间的连结作用，但是纳米硅粉与土质之间的相互作用问题仍有待进一步探讨。

2005年通过分析了纳米硅粉水泥土的微结构特点及微结构形成过程[12]，提出了纳米硅粉水泥土的固化机理：水泥的凝结硬化、火山灰反应、离子交换反应和填充效应，并且这几种反应在纳米硅粉—水泥浆—土体系强度形成过程是相互影响、共同作用的，因而固化机理十分复杂。

2008年李茂英等人[13]在相关研究中也指出：纳米硅粉的火山灰效应、微粒充填效应和界面效应对水泥土性能的改善，是提高水泥土强度的重要原因。

2012年王立峰[4]借用矿物切片技术来研究纳米硅水泥土的微结构和孔隙特性，在显微镜下对纳米硅水泥土孔隙及其分布特征进行分析，有助于对纳米硅增强水泥土的固化机理的研究。

目前在对纳米水泥土固化机理的研究中，对纳米材料在水泥土中的作用机理分析并不全面，纳米材料与土颗粒之间复杂的反应过程及作用机理需要进一步探索完善，同时不同的土质条件下要完全量化纳米硅粉—水泥浆—土的共同作用机理，仍有待进一步研究。

4 抗腐蚀性能

水泥土搅拌法处理近海软土时，水泥土常处于腐蚀性环境中。

2007年曾庆军等人[14]选取珠江三角洲典型的淤泥质粘土，加入纳米硅粉配制水泥土试件，在腐蚀性硫酸盐溶液和纯水中养护到不同龄期，对其进行无侧限抗压强度对比试验，研究发现：纳米硅粉能显著提高水泥土的抗腐蚀性能。

2008年李茂英等人[13]微观分析了纳米硅粉、水泥浆和淤泥质粘土三者之间共同作用，表明纳米硅粉在硫酸盐存在的情况下加速了与水泥水化产物的二次水化反应，生成的大凝胶水化产物增加了水泥土的密实性，增加了纳米硅粉水泥土的强度，有效地提高了硫酸盐含量较高的土体环境中水泥土的耐久性和抗腐蚀能力。研究掺入纳米硅粉的水泥土的抗腐蚀性能及其作用机理，为水泥土抗腐蚀性能改良和近海区软土水泥土搅拌法加固提供了依据。

纳米水泥土作为一种新型的建筑材料，比普通水泥土更能适应实际工程中复杂多变的地质环境和施工条件。以纳米SiO2为例，王立峰[3]研究指出，当纳米硅价格降至某一数值时，要达到相同强度，纳米硅水泥土的成本最小。虽然目前的纳米材料价格仍相对较高，并不能实现纳米材料在水泥土中广泛使用，但随着纳米材料的工业化生产以及纳米粉体制造技术的发展，纳米材料的价格将逐年下降，将纳米材料作为外加剂应用于水泥土仍具有广阔的前景。而对于纳米水泥土不同方向的研究也为其在实际工程中的应用提供了坚实的理论基础。

另外纳米水泥土的其他特性如渗透性、动力特性等相关研究并未开展。因此在今后的工作中需要全面的研究纳米水泥土的工程特性，深入探索并完善纳米水泥土的固化机理，为纳米水泥土的全面研究和推广提供理论依据。

[1] 王立峰.纳米硅水泥土工程特性及本构模型研究[D].杭州：浙江大学,2003.

[2] 李 刚.纳米材料水泥土工程性状试验研究[D].杭州：浙江大学,2003.

[3] 王立峰,朱向荣.纳米硅水泥土强度研究和经济分析[J].浙江建筑，2005,22(4):57- 60.

[4] 王立峰.纳米硅水泥土微结构和孔隙特性分析[J].科技通报，2012,28(9):31-35.

[5] 王立峰,朱向荣,王陈捷,等.纳米硅水泥土本构模型研究[J].浙江科技学院学报，2004,16(4):259-264.

[6] 王立峰,朱向荣,张学文,等.纳米硅水泥土屈服特性分析[J].科技通报，2005,21(3):327-331.

[7] 王立峰,夏建中,朱向荣.纳米硅水泥土破坏准则研究[J].岩土力学，2006,27(10):1767-1771.

[8] 王立峰,黄洪勉.纳米硅水泥土弹塑性有限元分析[J].岩土力学，2009,30(1):73-146.

[9] 王文军,朱向荣,方鹏飞.纳米硅粉水泥土损伤特性分析[J].科技通报，2008,24(2):219-223.

[10] 陈志新.纳米硅粉水泥土损伤模型分析[J].福建建筑，2008,119(5):60-63.

[11] 王文军.纳米矿粉水泥土固化机理及损伤特性研究[D].杭州：浙江大学,2004.

[12] 王文军,朱向荣,方鹏飞.纳米硅粉水泥土固化机理研究[J].浙江大学学报，2005,39(1):148-153.

[13] 李茂英,李加林,曾庆军.纳米硅粉改善水泥土抗腐蚀性能机理研究[J].路基工程，2008,140(5):40- 42.

[14] 曾庆军,莫海鸿,廖建春,等.纳米硅粉水泥土抗腐蚀性能研究[J].科学技术与工程，2007,7(2):222-226.

Research progress of cement-soil with nano-particles★

ZHANG Mao-hua LIU Ya-jing

(School of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

This paper analyzed and summarized the research present situation and research results of existing NM cement soil (such as NM cement soil strength, damage characteristics, curing mechanism, corrosion resistance property etc.), and put forward some problems to be solved in NM cement soil research, provided direction for further research and engineering application.

cement soil, NM material, strength characteristic, damage characteristic, curing mechanism, corrosion resistance property

1009-6825(2014)36-0112-03

2014-10-11

★:中央高校基本科研业务费专项基金项目(项目编号:2013CBQ02)；黑龙江省博士后科研启动金项目(项目编号:LBH-Q13001)

张茂花(1977- )，女，博士，硕士生导师，副教授； 刘亚静(1990- )，女，在读硕士

TU525

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