纳米SiO2–超细水泥固化钙质砂静力特性试验

矫慧慧 陈 昊 赫庆坤 高 盟

（1.山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东青岛 266590；2.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东青岛 266590；3.山东科技大学材料科学与工程学院实验中心，山东青岛 266590）

0 引言

近年来，我国陆续提出“海洋强国”与“一带一路”战略，南海地区基础设施建设正在提速。目前，岛礁基础设施建设的主要阻力为岛礁地基处理。钙质砂是岛礁中常见的建筑材料，其具有颗粒不均匀、易破碎和孔隙多的特点，与一般的海砂和陆源性砂具有很大的差异[1-2]。

钙质砂地基承载力低且松散性大，受到雨水和海浪冲刷后承载力丧失严重，必须经过加固后才能应用于工程中[3-4]，因此有必要开展钙质砂的加固研究。

目前，对于钙质砂的加固与工程特性改良已经取得一些进展。Lee 等[5]对近海钙质砂特殊性土灌注桩特性进行研究，并对钙质砂地基灌注桩的操作过程做了详细描述。方祥位等[6]运用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术对钙质砂进行加固，通过对加固体进行三轴压缩试验，建立基于损伤力学理论的微生物固化钙质砂的本构模型。高运昌等[7]设计单轴压缩试验和三轴剪切试验，对聚氨酯胶凝钙质砂的变形及应力规律进行研究。但是这些方法都存在操作困难、难以大规模应用的问题，南海钙质砂加固需要更加有效的方法。

纳米SiO2与超细水泥作为地基处理材料正在逐步推广应用。Kwan 等[8]将超细水泥微观形态与普通水泥进行对比，得到超细水泥能显著提高水泥石的填充密度和水膜厚度的结论。周茗如等[9]将黄土作为待加固材料，应用超细水泥与普通水泥进行注浆，通过对加固体强度、耐久性等试验进行对比分析，发现应用超细水泥进行黄土注浆比普通水泥有更好的效果。黄 谦等[10]对于不同纳米SiO2掺量下水泥砂浆进行侵蚀试验，并利用扫描电子显微镜（SEM）与X 射线衍射（XRD）对微观形貌与物相组成进行分析，表明纳米SiO2能有效细化砂浆内部孔隙并阻碍孔隙连通性，增强水泥砂浆在半浸泡下的抗硫酸盐侵蚀能力。但超细水泥及纳米SiO2没有被应用在钙质砂地基的加固中。

为此，本文通过对不同加固体进行无侧限抗压强度试验与不固结不排水剪切试验（UU），分析纳米SiO2-超细水泥对于钙质砂地基的改良作用与变形特性的影响，并通过SEM 试验对加固体的微观形貌进行观察，分析纳米SiO2-超细水泥强度作用原理，为实际工程提供帮助。

1 研究方法

1.1 原材料

无侧限抗压强度试验及不排水不固结三轴试验（UU）设备采用TSZ-6A 型应变控制式三轴仪（见图1）。试样为圆柱形，直径3.91 cm，高度8 cm，轴向施加荷载最大值为30 kN，围压为0～2.0 MPa，控制误差±1%FS，轴向应变加载速率为1.0 mm/min。

图1 TSZ-6A 型应变控制式三轴仪

电镜扫描采用美国FEI 公司生产的Nova Nano SEM450 高分辨扫描电镜（见图2）。高真空模式分辨率：1 nm (15 KV)；1.6 nm (1 KV)；低真空模式分辨率：1.5 nm；标样放大倍数：40 倍～40 万倍。

图2 扫描电子显微镜与高压喷射涂布机

普通硅酸盐水泥选用山水水泥厂生产的P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥，超细水泥选用“蟠龙山”牌k1000 型超细水泥，技术参数见表1。纳米SiO2为德固赛A200 型纳米SiO2，技术参数见表2。试验所用钙质砂取自南海某岛礁，主要形成于贝壳碎屑与珊瑚碎片沉积，其矿物成分为文石和高镁方解石，钙质含量达到92%以上，见图3(a)。通过水流冲刷对原状钙质砂进行处理，得到试验钙质砂，见图3(b)。去除石子等杂物，经烘箱完全干燥后按照筛分法进行粒径分析，其粒径级配曲线见图4。

图3 钙质砂示意图

图4 钙质砂颗粒级配曲线

表1 普硅水泥与超细水泥物理性能比较

表2 纳米SiO2 的主要性质指标

1.2 试样制备

参照《土工试验规程》[11-12]进行试样制备，由于钙质砂有吸水性，在进行试样制备前对砂进行预湿处理[13]，试样水灰质量比统一选择0.9。取计算好质量的水、水泥、纳米SiO2搅拌5 min，分三次加入到直径3.91 cm、高度8.0 cm 的模具中，每次加入后经击实锤击实，用土工刀刮毛后再装入下一层。试样1 d后脱模，养护至7 d 进行试验。试块具体参数见表3，每组同种参数的试件数量为3 个。

表3 试样参数

2 结果与分析

2.1 无侧限抗压试验

2.1.1 水泥种类影响

图5为超细水泥与普通水泥在相同掺量下加固钙质砂的无侧限抗压强度对比。为直观表现不同水泥种类对钙质砂固化的效果，两组试验起始点取素砂无侧限抗压强度。为方便表述，用NCa表示水泥掺量a%的超细水泥，用Cb表示水泥掺量b%的普通水泥。从图中可以看出，素砂的无侧限抗压强度仅为56 kPa。随水泥掺量增加，超细水泥较普通水泥强度增长更为迅速，NC8、NC10强度分别为C8、C10的211%和229%。因此，超细水泥相较于普通水泥其作为胶凝材料能有效提高固化钙质砂强度。

图5 不同掺量下两种水泥无侧限抗压强度对比

2.1.2 纳米SiO2掺量影响

本文选择6%超细水泥掺量，分析不同纳米SiO2掺量对于强度影响。

以6%水泥掺量为基础加入5%、10%、15%、20%、25%、30%六个不同掺量纳米SiO2进行无侧限抗压强度试验。从图6可以看出，较小纳米SiO2掺量下，加固体强度增长缓慢，随着纳米SiO2掺量继续增加，强度上升速度加快，当纳米SiO2掺量超过25%时，强度增长发展缓慢，甚至还有下降趋势。据此分析，纳米SiO2对6%超细水泥加固体改良效果存在临界掺入量，临界掺入量为25%。

图6 不同纳米SiO2 掺量下超细水泥强度变化

2.2 不固结不排水三轴试验（UU）

三轴压缩试验能够更好反映试样在真实情况下受力状态[14]。根据实际工程情况，钙质砂的加固一般在吹填后不久进行，固化试样渗透系数较小且在现实工程施工进度快，因此选择不固结不排水三轴试验（UU），用以得到更符合实际情况的数据。采用TSZ-6A 型应变控制式三轴仪对于加固体进行三轴试验并记录数据。

2.2.1 固化钙质砂的三轴试验结果

图7分别为水泥掺量6% (NC6)情况下，掺入10% (NCS10)、20%(NCS20)、30%(NCS30)纳米SiO2加固体不排水不固结三轴试验应力-应变曲线。

图7 不同围压下加固体应力–应变曲线

从图7中可以看出，钙质砂加固体应力-应变曲线均呈现出应变软化现象，其与素钙质砂应力-应变曲线相比只存在弹性、屈服、破坏三个阶段。这是由于水泥加入增加了钙质砂的黏聚力，从而跳过压实阶段；随围压增大，加固体所能承受的偏应力增大。这是由于更大的侧向约束增加砂砾之间挤密程度，破坏时轴向应力增大；在围压σ3=200 kPa、300 kPa 条件下，高纳米SiO2掺量试样呈现脆性破坏特征，且偏应力峰值较高；30%纳米SiO2掺量试样其最大偏应力相较于20%掺量下有一定程度下降，这与无侧限抗压强度试验结果相吻合。

由摩尔-库伦准则获得加固体在不同纳米SiO2掺量下的剪切强度指标[15]，见表4。纳米SiO2掺量对摩擦角的影响较小，对黏聚力的影响较大。随纳米SiO2含量增加，试样黏聚力呈现先上升后下降的趋势，峰值强度出现提前。NC6试样黏聚力为102.2 kPa，NCS10、NCS20、NCS30试样黏聚力分别提高75%、201%、79%。这说明适量纳米SiO2对于增加超细水泥加固体黏聚力有利，使加固体在较小应变下发挥最大抗剪性能。

表4 剪切参数汇总表

2.2.2 破坏特性

三种破坏形式（鼓胀、剪切、劈裂）在试验过程中均出现，主要影响因素为纳米SiO2的掺量。在相同围压（300 kPa）下，NCS10试块破坏形式主要为鼓胀破坏；NCS20为剪切破坏，破坏后形成一个明显剪切破坏面，剪切破坏面与水平面夹角约55°；NCS30试块为劈裂破坏。试件破坏如图8所示。

图8 三轴破坏模式

2.3 微观分析

在强度试验结束之后，收集C6、NC6、NCS20、NCS30纳米SiO2四种试样碎片进行烘干直至质量不发生变化，利用Pella 108Auto 全自动离子溅射仪对试样进行喷金处理，循环喷金八次后采用Nova Nano SEM450 高分辨扫描电镜对试样进行SEM 试验，图9为强度试验结束后各试块电镜扫描图像。

从图9（a）中可以看出，普通水泥加固体砂砾之间存在大量板状Ca(OH)2晶体相互之间没有接触，针状钙矾石(AFt)晶体数量较少且较细，导致颗粒间存在较大空隙。在图9（b）中可以看到针状钙矾石晶体大量生成，其相互排列交错形成一定网格状结构，生成Ca(OH)2晶体更加细小，能够填充到钙质砂细小孔隙之中，加固体结构更加致密，且水泥颗粒发生水化反应程度更高。

从图9（c）中可以看出，在钙矾石网格内部生成大量絮凝状水化硅酸钙凝胶(C-S-H)，凝胶物质裹挟钙矾石晶体，填充大颗粒之间的缝隙，使加固体结构更加密实，增强结构整体性。此外，水化氢氧化钙含量降低，晶体界面得到进一步改善[16]。这是因为纳米SiO2比表面积大且表面存在大量不饱和残键及不同键合状态的羟基，在溶于水后电解成硅酸根离子。超细水泥由于其粒径更小，在水化过程中生成更多、更细的Ca(OH)2。硅酸根离子与水泥浆体中的Ca+发生反应生成水化硅酸钙凝胶（C-S-H）。

图9 试样SEM 图

纳米SiO2的火山灰反应表达式[17]：

从图9（d）可以看出，大量纳米SiO2吸附在水化硅酸钙凝胶上，阻碍颗粒之间接触。此外，由于水泥总量的限制，氢氧化钙生成数量有限，体系内的火山灰反应效率降低，剩余大量未反应纳米SiO2颗粒，纳米SiO2自身并无胶凝作用，加固体整体性降低，强度呈下降趋势。这也就从微观上解释纳米SiO2掺量较大时，加固体强度降低的现象。

3 结论

（1）使用纳米SiO2和超细水泥对钙质砂进行加固，能够有效提升钙质砂抗压强度，含有6%水泥掺量的20%纳米SiO2-超细水泥加固体最大强度分别为相同条件下普通水泥与纯超细水泥的2.81 倍和1.36 倍。纳米SiO2掺量存在一个临界值，在超过25%之后，继续加入纳米SiO2会降低加固体强度。

（2）纳米SiO2对于超细水泥钙质砂加固体静力特性有改良效果，主要表现为三轴试验中峰值强度的提高、破坏类型的改变、峰值应变的减小和黏聚力的增加。

（3）微观角度分析发现超细水泥比普通水泥生成更多钙矾石晶体，形成网格结构，增强宏观强度。纳米SiO2通过火山灰反应消耗水泥水化作用生成的氢氧化钙，形成水化硅酸钙凝胶，更好提升超细水泥强度。