循环荷载下纳米SiO2改良水泥土动变形研究及微观分析*

2022-08-01庄心善

工业建筑 2022年5期

庄心善寇强

(湖北工业大学土木建筑与环境学院，武汉 430068)

随着我国城镇化建设的需要，地基材料的选择越来越重要。在大部分基建和工业建筑中，水泥土表现出价格低廉、取材方便、施工容易的优点[1]，但因汽车荷载、机械设备振动荷载、地震荷载等动荷载因素限制了其在工程上的进一步应用[2]，而纳米矿粉在改良水泥土性质方面具有优异且高效的作用，受到国内外学者广泛的关注，并已开展了一系列试验探究。Sahin指出纳米粉末具有较高的火山灰活性和填充作用，在改良水泥力学和物理性能方面具有良好效果[3]。Kim等指出纳米SiO2在改良水泥复合材料性能方面具有填充作用和加速火山灰反应的效果[4]。Choobbasti等指出纳米SiO2可以改善水泥土的微观结构，在反应中充当填充剂和催化剂[5]。Ghasabkolaei 等通过一系列试验研究发现纳米SiO2能够大幅度提高水泥土地基的强度和地基承载力[6]。在纳米SiO2改良水泥土的试验中，文献[7-10]指出加入适量的纳米SiO2可改良水泥土的变形特性和抗压强度。但截至目前，有关纳米SiO2对水泥土动力特性影响的研究尚鲜见文献报道。

基于此，运用GDS真三轴仪动力模块，对纳米SiO2掺量对水泥土动力特性的影响展开试验；运用核磁共振分析仪分析对比水泥土改良前、后的内部孔隙的变化。探究在循环荷载作用下纳米SiO2改良水泥土抵抗动荷载的能力，为相关工程研究提供参考。

1 动力特性试验

1.1 试验仪器

试验仪器选用英国GDS真/动三轴仪，该仪器可进行三向应力的真三轴静力特性试验及圆柱状试样的动三轴试验，GDSLAB软件可精准控制该仪器动三轴试验系统，传感器实时测量试验土样中的孔隙压力、轴向压力、轴向应变及体应变等。

1.2 试验材料

试验用土为黏土，取自湖北省大冶市某施工段深挖土层，通过地勘资料获取的物理力学性质指标见表1。试验水泥选用P·O 32.5级水泥，纳米矿粉选用工厂加工生产的纳米SiO2，相关参数见表2。

表1 试验土基本物理指标Table 1 Property indexes of test soil

表2 纳米SiO2的主要性能指标Table 2 Property indexes of nano-SiO2 powder

1.3 试验方案

试验配比方案见表3，称取计算所得烘干土、水泥、纳米硅粉、水，取此土的最佳含水率20%配制，将试样材料在容器中混合，待土、水泥、纳米SiO2、水搅拌充分混合均匀后，在制样器中将混合土分5层击实，制成直径为50 mm，高度为100 mm的标准圆柱体，每一种掺量配比制备3组平行试验。

表3 试验配比Table 3 Proportion of mix

将试样制好放在养护箱中，在常温条件下将试样养护7 d，养护结束后，检查试样表面有无裂痕，有裂痕直接舍弃，若无裂痕放入真空饱和器内抽真空直至饱和器压力表稳定显示负100 kPa后，注入清水浸泡24 h，将试样依次放入GDS真三轴仪反压饱和，然后进行动力特性试验。加载频率为1.0 Hz的正弦波形，围压为100,200,300 kPa,初始轴向压力为300 kPa。动荷载加载方式采用不排水10级加载，动荷载值σd为25,50,75,100,125,150,175,200,225,250 kPa，每级荷载作用10个循环。

2 动力特性试验结果及分析

2.1 动应力-应变关系

进行GDS动三轴试验，取每级循环荷载的第8个滞回圈顶点得到动应力与动应变值，分别绘制围压200 kPa下不同纳米SiO2掺量及纳米SiO2掺量为2.5%不同围压下的动荷载-动应变骨架曲线(σd-εd骨架曲线)，如图1所示。可见：在循环荷载作用下，开始动应力较小时，曲线呈线性关系；后期动应力增大，动应变增长迅速，曲线呈非线性变化。由图1a可知:σd-εd曲线随着纳米SiO2掺量的增大呈先升后降的趋势，且在掺量为2.5%时，曲线达到最大值；表明相同围压下，掺入适量纳米SiO2可改良水泥土的动力特性，增强其抵抗动荷载的能力，且在掺量在2.5%时改良效果最佳。由图1b可知：在相同掺量下，σd-εd曲线随着围压的增大而向上移动；表明同掺量下，适当地增大围压，可提高水泥土的动刚度。

图1 动应力-动应变曲线Fig.1 Relation curves of dynamic stress and dynamic strain

2.2 动变形模量变化规律

动变形模量Ed取σd-εd滞回曲线两端连线的斜率[11]，即

(1)

式中：σdmax、σdmax、εdmax、εdmax分别为最大动应力、最小动应力、最大动应变和最小动应变。

选取每级动应力下5～7次循环荷载的动变形模量和动应变，求其均值，并以其均值绘制Ed-εd曲线，如图2、3。可见：加载过程中，水泥土的动变形模量随着动应变的增大而减小，土体的性质变化逐渐由弹性变化转为塑性变化。当动应变不大于0.1%时，土体主要表现为弹性，Ed-εd曲线下降较快；当动应变大于0.1%时，土体逐渐表现为塑性，Ed-εd曲线下降较为平缓。

从图2可见：掺入适量的纳米SiO2可以使水泥土的动变形模量增大，且掺量在2.5%时改良效果最佳，随后改良效果减弱，但依旧远远高于未改良的水泥土，这是由于过量加入纳米SiO2后，纳米SiO2不能与水泥充分反应且不溶于水，在水泥土中呈游离状态，黏聚性较弱，使水泥土内部的土颗粒易相对滑动，导致水泥土的动变形模量下降。

aw=0%; aw=0.5%; aw=1.0%; aw=1.5%; aw=2.0%; aw=2.5%; aw=3.0%。图2 动变形模量-动应变曲线(σd=200 kPa)Fig.2 Relation curves of dynamic deformation moduli and dynamic strain (σd=200 kPa)

由图3可知：动变形模量随围压的增大而增大。围压作用于土体，土体颗粒黏性增强，内部孔隙减小并减少，水泥土的动变形模量增大。土体内部结构更加密实，土体的强度更高，使得土体的抗变形能力增强。

a—0.5%; b—2.5%; c—3.5%。100 kPa； 200 kPa； 300 kPa。图3 不同掺量动变形模量-动应变曲线Fig.3 Relation curves of dynamic deformation moduli and dynamic strain in different proportion

为进一步研究改良水泥土的动变形模量与动应变的关系，对试验结果进行拟合，采用Hardin-Drnevich修正曲线模型拟合，拟合曲线见图4。

σ3=100 kPa； σ3=200 kPa； σ3=300 kPa； ----拟合曲线。图4 动变形模量倒数-动应变拟合曲线(aw=2.5%)Fig.4 Fitting curves between reciprocals of dynamic deformation moduli and strain (aw=2.5%)

(2)

式中：a、b为拟合参数。

从表4可知不同掺量下的拟合参数，且决定系数R2均大于0.90,说明该修正曲线模型拟合效果良好，式(2)在一定条件下可以较好地表现其改良规律。

表4 动变形模量倒数-应变拟合参数Table 4 Fitting parameters for reciprocals of dynamic deformation moduli and corresponding strain

2.3 滞回曲线变化规律

如图5所示，滞回环两端的应力与应变差之比为K，其大小反映了土体的变形性能。

图5 周期循环荷载作用下土体理想滞回环Fig.5 An ideal hysteretic loop of soil under a cyclic load

(3)

滞回圈面积S反映的是土体因阻尼比而消耗的能量[11]，在动荷载作用的一个循环内，能量消耗越大，S越大。滞回环包围面积可用式(4)计算：

(4)

式中：a、b为滞回环形成椭圆的长、短边。

随着动荷载的增大，滞回圈的缺口逐渐增大，在计算其面积时，需要人为将其首尾连接构成一个封闭的多边形APQMBNA，其面积可按文献[12]的方法计算。

通过计算可以得到纳米SiO2不同掺量下改良水泥土的同级单次滞回曲线面积。由图6可得:同级荷载不同掺量aw=0%、2.5%、3%下的滞回圈面积分别为0.021、0.009、0.011，即S(2.5%)

SiO2掺量为0.0%； SiO2掺量为2.5%； SiO2掺量为3.0%。图6 不同掺量同级滞回圈(σ3=200 kPa)Fig.6 Hysteretic loops under a dynamic load in different mix porprotion (σ3=200 kPa)

2.4 阻尼比变化规律

土的阻尼反映的是土体因受到阻滞而使变形能随时间损耗的特性，通常用阻尼比λ反映其大小，用土体一个滞回周期内的能量损耗ΔW与该循环中储存变形总能量W的比值表示[11]：

(5)

在动荷载作用下，能量损耗可近似地看作阻尼比所做的功。滞回曲线圈构成的椭圆面积可近似表示动荷载作用一个周期的能量损耗ΔW，贮存的总能量W可由最大幅值点(εd，σd)与坐标原点和垂直X轴的线段构成的三角形面积表示[11]：

(6)

图7为不同纳米SiO2掺量下水泥土的阻尼比与动应变的关系。可见：水泥土阻尼比随动应变增大而增大。当动应变不大于0.1%时，λ-εd曲线呈线性增长，阻尼比增长较快；动应变大于0.1%时，λ-εd曲线呈非线性增长，阻尼比增长较缓。这是由于在循环荷载作用下土体内部土颗粒间的摩擦，释放应变能。应变能的释放随着动应变的增大而减小[11]。

从图7可以看出：水泥土的阻尼比随纳米SiO2掺量的增大而减小，且在掺量为2.5%时，阻尼比降到最低。当掺量大于2.5%后，水泥土的阻尼比增大，但仍远远低于不掺纳米SiO2的水泥土。说明掺入适量的纳米SiO2，可以使水泥土内部结构更加致密，使其整体承载能力增强，有利于波在内部的传播，能量的损耗减小，阻尼比减小。

aw=0.0%; aw=0.5%; aw=1.0%; aw=1.5%; aw=2.0%; aw=2.5%; aw=3.0%。图7 阻尼比-动应变曲线(σ3=200 kPa)Fig.7 Relations between damping ratios and dynamic strain(σ3=200 kPa)

3 孔结构分析

3.1 试验设备

试验设备为PQ001低磁场核磁共振分析仪。

3.2 试验过程及结果分析

提前打开试验仪器运行，试验中多次重复测量试样以减少试验的误差，对数据进行累加处理，最终在通过数据处理、反演得到纳米SiO2掺量为0%、2.5%时土体的弛豫时间T2和信号强度的关系曲线(T2谱)，如图8所示。

aw=0.0%； aw=2.5%。图8 反演处理后的核磁共振数据(σ3=200 kPa)Fig.8 Nuclear magnetic resonance data by inversion analysis(σ3=200 kPa)

核磁共振曲线(NMR曲线)可用来反映物体内部的孔隙结构，通过NMR曲线，可以看出土体内部的孔隙体积-孔径分布特性[13-16]。

图8所示为纳米SiO2掺量为0%、2.5%的水泥土的NMR曲线(T2谱)可见：在水泥土里掺入2.5%纳米SiO2时，所围区域面积小于不掺入纳米SiO2时的面积;加入纳米SiO2可以减小内部孔隙体积，使土体内部结构更加致密，使得土体的强度增大；掺量为0%、2.5%的试样T2谱有相似之处，即都有2个峰值，峰值位置大致相当，分别位于1.0，50.0 ms处附近；在50.0 ms处，掺入纳米SiO2的试样峰值体积小于不掺纳米SiO2的试样，说明掺入纳米SiO2后，内部的大孔隙体积减少；在1.0 ms处的峰值，改良后试样的峰值面积小于未改良的试样，说明掺入纳米SiO2后试样内部的小孔隙体积减少；在1.0 ms处，改良后试样的峰值出现时间略早于未改良的水泥土试样，表明掺入纳米SiO2后，水泥土试样内部的孔隙结构更加均匀。

纳米SiO2对水泥土的改良体现在两个方面：物理方面，纳米SiO2粉末可以填充土体内部的微小孔隙，使土体的内部孔隙减少，土体更加密实，水泥反应后的生成物黏结在纳米颗粒上形成小团块，增强土体的稳定性[9]；化学方面，纳米SiO2具有较高的火山灰活性[5,10,17]可快速与水泥反应生成水化硅酸钙、细化Ca(OH)2晶体，减少水泥土内的孔隙，使土体内部结构稳定。