不同纳米黏土改良黄土试验结果对比分析

赵丹妮，曹宝花，2，许江波*，南亚林，陈能远，张鹏，王和平

（1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.西安长大公路工程检测中心有限公司，陕西 西安 710064；3.信电综合勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710054；4.陕西省土体工程技术研究中心，陕西 西安 710054；5.陕西交建公路工程试验检测有限公司，陕西 西安 710117）

0 引言

黄土作为中国广泛分布的特殊土，是西北地区常用的建筑材料。由于黄土具有多孔隙、颗粒间胶结性差等不良工程特性，故单纯的压实黄土不能很好满足工程对于承载力与渗透性的要求。因此对黄土进行改良，提高其物理力学性质和水理性质，对于黄土在工程中的应用具有重要意义。

张豫川等［1］针对长龄期条件下石灰和粉煤灰对黄土的改良作用，开展室内试验研究各因素对改良黄土抗剪强度和渗透性的影响及长龄期效应；刘钊钊等［2］基于土-水特征曲线试验和湿化崩解试验，研究不同掺量木质素改良黄土的持水性和水稳性，并结合扫描电镜测试探讨掺入木质素导致黄土水稳性改善的内在机制；王天亮等［3］在大量动静三轴试验的基础上，研究了水泥改良土试样的应力-应变关系、掺和比及围压等影响因素；张虎元等［4］利用抗疏力土壤固化剂对黄土进行化学改性试验，对不同配比的抗疏力固化黄土击实试验、单轴抗压试验，探讨抗疏力固化剂在黄土地区运用的可行性；王任杰［5］采用水泥对黄土进行改良，通过室内试验手段，综合研究了水泥改良黄土物理力学性质、水理性质及改良机理；李振［6］采用生石灰对黄土进行改良，研究生石灰改良黄土的水分变化、击实特性、稠度特征、崩解特性和水化学性质，分析生石灰含量和养护周期对黄土物理化学性质的影响。

纳米材料是一门在近几十年兴起，并在近20 年得到迅速发展的材料分支学科。由于纳米材料表征尺度小，比表面积大，使其在陶瓷材料、传感器、功能材料、复合材料等诸多科学、工业领域内得到非常广泛的应用。因此，将纳米材料应用于土体改良中是一种新的土体改良思路。

Taha 等［7］研究了纳米黏土、纳米氧化铝和纳米铜等纳米材料对压实土体表面干燥裂纹发展的影响；Mauter 等［8］发现添加了3%碳纳米管的土的抗压强度比原始黏质土提高约1.2 倍；Tomar 等［9］测试纳米二氧化硅和聚丙烯纤维复合处理的黏土的强度性能和耐久性，发现随着两种添加物含量的增加，单轴抗压强度也随之增加；Ren 等［10］对粉质黏土的比重、液塑限、单轴抗压强度等力学强度进行了研究；周斌等［11］将纳米Al2O3作为外掺剂应用于黏土改性研究，研究了不同含水量和不同纳米Al2O3掺量下淤泥质黏土的无侧限抗压强度变化规律；肖继强［12］采用不同纳米材料SiO2和Al2O3对淤泥质黏土进行改良，此研究为纳米材料能更好地在工程中的应用提供了基础；王文军等［13］通过研究纳米硅粉改性水泥土在不同龄期下无侧限试验发现，纳米硅粉掺量和龄期的不同，强度改性也不同。

目前，纳米材料常被用于水泥基材料的改良剂，并且已取得了丰硕的研究成果。但在黄土中的应用较少［14］，且其改良机理也不明确。因此开展纳米材料改性黄土的研究显得尤为重要。本文采用两种不同纳米黏土改良黄土，通过室内力学试验探讨不同纳米黏土及掺量对黄土各种性能的影响，在室内试验分析结果的基础上，探讨纳米黏土改良黄土的微观机理，为纳米材料应用于黄土及更多土体中提供了工程基础。

1 正交试验设计及结果分析

1.1 试验材料

本文所采用的凹凸棒土及纳米蒙脱土物理性质指标见表1，试验用黄土为陕西省延安市黄土（图1、表2、图2）。

图1 原状样取土现场图片Figure 1 Pictures of on-site extraction of soil in its original state

图2 黄土的颗粒级配曲线Figure 2 Particle gradation curve of loess

表1 凹凸棒土、纳米蒙脱土物理性质指标Table 1 Physical properties of attapulgite and nano-montmorillonite

表2 黄土基本物理性质参数Table 2 Basic physical properties of loess

1.2 无侧限抗压强度正交试验设计

1.2.1 试验方案设计

试样在无侧限抗压强度试验过程不受侧向力，只受法向作用力，相当于周围压力为0 的三轴试验。本次试验选取两种纳米黏土材料掺量分别为1%、2%、4%、6%，控制改良土干密度为1.55 g/cm3，土含水率为5%、10%、15%、20%，养护龄期为1 d、7 d、14 d、28 d，加载速率为0.5 mm/min，共制作96 个试样。

1.2.2 正交试验设计

凹凸棒土改良黄土抗压强度试验的影响因素有凹凸棒土掺量、含水率和养护龄期；纳米蒙脱土改良黄土抗压强度试验的影响因素有纳米蒙脱土掺量、含水率及养护龄期，通过三因素四水平的正交试验设计，对两种纳米黏土改良黄土的抗压强度开展因素敏感性分析。假设显著性水平为0.05，用“A”“B”“C”分别表示“凹凸棒土掺量”“含水率”“养护龄期”3 种因素；“A′”“B′”“C′”分 别表示“纳米蒙脱土掺量”“含水率”“养护龄期”3 种因素，表3 为因素水平设计，正交试验设计如表4 所示，分别进行16 组试验。

表3 三因素四水平设计Table 3 Four horizontal design of three factors

表4 正交试验设计Table 4 Orthogonal test design

1.3 无侧限抗压强度正交试验结果对比

1.3.1 正交试验极差结果对比

两种纳米黏土改良黄土各影响因素与试验指标关系见图3。

图3 两种纳米黏土改良黄土各影响因素与试验指标关系Figure 3 Relationship between influencing factors of two nano-clay improved loess and test indexes

由图3 可得：

（1） 对于凹凸棒土，改良黄土抗压强度对3 种因素的敏感程度为B＞A＞C。各因素的最优水平分别为A1、B1、C1，最优组合为A1B1C1，说明当凹凸棒土掺量为1%、含水率为5%、养护龄期为1 d 时，改良黄土的抗压强度达到最大值169.3 kPa。

（2） 对于纳米蒙脱土，3 种因素对改良黄土抗压强度影响的主次顺序为B′＞A′＞C′。从各因素对应水平的指标均值可以得出各因素的最优水平分别为A′2、B′1、C′3，即最优组合为A′2B′1C′3，说明当纳米蒙脱土掺量为2%、含水率为5%、养护龄期为14 d 时，改良黄土的抗压强度达到最大值202 kPa。

（3） 纳米蒙脱土改良黄土的折线总体位于凹凸棒土改良黄土折线的上方，且两者对黄土抗压强度的影响随着材料掺量的增大均呈现先增大后减小的趋势，因此可以说明纳米黏土材料的掺量并非越多越好。主要原因是适量的纳米黏土可以有效胶结颗粒和填充孔隙，并增强土体双电层吸附作用从而提升黏聚力，增强抗压强度。但当掺量较大时纳米黏土本身黏结性和整合性会促使纳米黏土优先与自身结合，而非先进行胶结颗粒和填充孔隙，导致无法有效加固土体；同时土颗粒间的纳米黏土颗粒增多，会加大土颗粒间的距离，导致颗粒间的吸引力降低，使纳米黏土在土体中起“润滑作用”，最终导致土体抗压强度减小［15］。当试样含水率增加时，两种纳米黏土改良黄土抗压强度均呈现减小趋势，其中含水率比纳米黏土材料掺量对改良土抗压强度影响更为显著。原因主要是含水率的增大加厚了黄土颗粒间的水化膜，增加了颗粒间的润滑作用，且当试样总体含水率提高时，试样密实度会降低，所以改良黄土抗压强度减小，C 因素对凹凸棒土改良黄土抗压强度影响，极差值仅为2.3 kPa，而纳米蒙脱土改良黄土抗压强度极差值为30.5 kPa，说明养护龄期对纳米蒙脱土改良黄土的影响比凹凸棒土改良黄土更为显著。

1.3.2 正交试验方差结果对比

以抗压强度为试验指标，正交试验方差分析原理是F检验，通过计算各因素的显著性p值，并将其与显著性水平进行数值比较，便可确定该因素的显著性。

正交设计试验方差分析采用IBM SPSS Statistic 25 统计分析软件，表5 为凹凸棒土、纳米蒙脱土改良黄土正交试验方差分析结果。

表5 正交试验方差分析结果Table 5 Variance analysis results of orthogonal test

方差分析的因变量为改良黄土抗压强度，主效应的固定因子为A、B、C 3 个因素。由表5 中各因素显著性p值可以看出：纳米黏土掺量、含水率、养护龄期对改良黄土抗压强度的影响都较显著。

1.4 三轴试验结果对比

对试样进行固结不排水试验，图4、5分别为改良黄土的p～q与p′～q曲线，图中K′f与Kf分别表示有效应力路径的破坏主应力线与总应力路径的破坏主应力线。

图4 1%凹凸棒土改良黄土的应力路径Figure 4 Stress path of improved loess by 1% attapulgite

图5 2%纳米蒙脱土改良黄土的应力路径Figure 5 Stress path of improved loess by 2%nano-mo ntmorillonite

抗剪强度主要受抗剪强度指标c和φ影响，所以可由抗剪强度指标来反映出抗剪强度的变化，两种纳米材料改良黄土抗剪强度指标对比关系见图6。

图6 两种纳米材料改良黄土抗剪强度指标对比关系Figure 6 Comparative relationship between shear strength indexes of improved loess by two nanomaterials

由图6 可得：同一干密度情况下，两种纳米黏土的掺加对于黄土抗剪强度指标有明显的影响，两种纳米黏土对于改良后黄土的抗剪强度指标的影响是先增大后减小的关系，当掺量为2%时，纳米蒙脱土对于改良黄土的影响最大。产生如此差别的原因可能为：纳米黏土的掺量过大，导致在黄土中的分散性差，而凹凸棒土的比表面积大，更容易发生团聚，从而影响改良效果。而纳米蒙脱土比表面积相对较小，所以相同掺量下团聚效果小，因此纳米黏土的掺量并不是越多越好［16］。

对凹凸棒土和蒙脱土改良黄土的内摩擦角φ关于纳米材料掺量和干密度ρd进行函数拟合，如式（1）、（2）所示：

凹凸棒土拟合公式为：

纳米蒙脱土拟合公式：

式中：cA和cM分别表示纳米黏土和凹凸棒土掺量。

式（1）、（2）中拟合度分别为0.961 3 和0.964 4。说明拟合结果良好。

2 纳米黏土改良黄土渗透试验对比

2.1 常水头渗透正交试验方案设计

2.1.1 试验方案

两种纳米黏土改良黄土渗透试验材料掺量分别为1%、2%、4%、8%，设定常水头渗透试验试样的干密度分别为ρd=1.35 g/cm3、1.45 g/cm3、1.55 g/cm3、1.65 g/cm3，围压为0、100 kPa、200 kPa、300 kPa。

2.1.2 正交试验结果分析

以渗透系数为试验指标，通过各因素对改良黄土渗透系数的影响程度进行敏感性分析。假设显著性水平为0.05，用A、B、C 分别表示凹凸棒土改良黄土渗透系数的影响因素“掺量”“干密度”“围压”，用A′、B′、C′分别表示纳米蒙脱土改良黄土渗透系数的影 响 因 素“掺 量”“干 密 度”“围 压”，3 种 因 素 的4 种 影响水平如表6 所示，正交试验设计如表7 所示。

表6 三因素四水平设计Table 6 Four horizontal designs of three factors

表7 正交试验设计Table 7 Orthogonal test design

2.2 常水头渗透正交试验结果对比

2.2.1 正交试验极差结果对比

图7 为两种纳米黏土改良黄土常水头渗透系数随各因素变化的关系曲线。

图7 两种纳米黏土改良黄土各影响因素与试验指标关系Figure 7 Relationship between influencing factors of two nano-clay improved loess and test indexes

渗透系数值越小，对黄土改良效果越好。其中对两种纳米黏土改良黄土渗透系数影响最大的因素是干密度，材料掺量次之，围压最小。从各因素对应水平的试验指标均值可以得出各因素的最优组合为A4B4C4、A′4B′4C′4。

凹凸棒土改良黄土与纳米蒙脱土改良黄土的各因素与试验性能指标趋势线总体相差不大，说明两种纳米黏土材料对黄土的渗透性能改良效果相近。由图7（a）可知：两种纳米黏土的渗透系数均会随着材料掺量的增加而减小，当纳米黏土掺量小于等于2%时，凹凸棒土改良黄土的渗透系数比纳米蒙脱土改良黄土的渗透系数小，说明凹凸棒土对黄土的改良效果更好。原因是：纳米黏土颗粒较细，平均粒径一般为30 nm，黄土试样中加入两种纳米黏土后，都可以增强改良黄土抗渗性，一方面细小的纳米黏土颗粒可以有效填充黄土大颗粒之间孔隙，在一定程度上能降低黄土的渗透系数；另一方面，由于纳米黏土中SiO2和CaO 可以和黄土中的矿物成分发生化学作用，产生胶结物质，从而使黄土颗粒胶结成团，堵塞了黄土中的大孔隙，阻碍土体中水分流动，达到抗渗作用。凹凸棒土作为一维纳米材料，当掺量增多时颗粒间由于容易凝结成块，其性能反而下降，所以当掺量大于2%时其改良黄土的渗透系数较纳米蒙脱土改良黄土大；由图7（b）可知：随着试样干密度的增大，两种纳米黏土材料的渗透系数均会减小，并且相差甚微；由图7（c）可知：围压的增大能使两种材料改良黄土渗透系数都呈现减小趋势。

2.2.2 正交试验方差结果对比

设定正交设计试验方差分析的显著性水平p为0.05，通过计算各因素的显著性值，并将其与显著性水平进行数值比较，便可确定该因素的显著性。

表8 为凹凸棒土、纳米蒙脱土改良黄土正交试验方差分析结果。

表8 凹凸棒土、纳米蒙脱土改良黄土正交设计方差分析结果Table 8 Variance analysis results of orthogonal design of improved loess by attapulgite and nano-montmorillonite

方差分析的因变量为改良黄土的渗透系数，主效应的固定因子为A、B、C 和A′、B′、C′ 6 个因素。由表8 可知：6 种因素改良黄土的p值都为0，均小于显著性水平0.05，说明两种纳米黏土材料、干密度、围压对改良黄土的抗压强度的影响都较显著。

2.3 变水头渗透正交试验结果对比

2.3.1 试验方案

设变水头渗透试验试样的干密度分别为1.45 g/cm3、1.55 g/cm3。分 别 按 照61.8 mm×40 mm 和39.1 mm×80 mm 制作试件，养护龄期均为1 d，共制作160 个试样。

2.3.2 正交试验结果对比

图8 中ρdA、ρdM分别表示凹凸棒土、纳米蒙脱土改良黄土的干密度。

图8 纳米黏土改良黄土变水头渗透系数对比Figure 8 Comparison of permeability coefficients of nano-clay improved water head

由图8 可知：当材料掺量小于等于1%时，凹凸棒土改良黄土渗透系数小于纳米蒙脱土改良黄土的渗透系数，说明1%凹凸棒土比1%纳米蒙脱土更能有效改良黄土的渗透性；当材料掺量大于2%时，相同干密度情况下，纳米蒙脱土改良黄土的渗透系数小于凹凸棒土改良黄土，说明大于2%掺量的纳米蒙脱土更能有效改善黄土的渗透性。

3 纳米黏土改良黄土微观机理分析

3.1 扫描电镜试验原理

扫描电镜是目前室内试验常用的试样微观分析软件，其成像原理为：首先以电子枪不断发射高能电子束，通过聚光镜和物镜把电子束转换为光栅状使其垂直入射到试样表面，入射电子束的能量一部分被样品表面反射，而其余能量电子束则穿透样品，投射至荧光屏上，将所有荧光屏上的亮点集合起来得到SEM 图像信息［17-18］。

3.2 试验方案

将改良黄土三轴试件从中部掰开，露出新鲜较为平整的断面，然后使用小刀及凿具加工成1 cm×1 cm×0.5 cm 左右的小试样，并置于105 ℃烘箱烘干，然后用导电胶带将试样粘贴在圆盘上，为了提高图像的质量和分辨率，进行喷金处理后装样，如图9 所示。

图9 喷金后改良黄土试样装样Figure 9 Improved loess specimen loading after metal spraying

3.3 两种纳米黏土改良黄土微观机理分析

扫描电镜试样选取养护时间为1 d、干密度为1.55 g/cm3条件下材料掺量为0、1%、2%、4%的纳米黏土改良黄土。

图10 表示素黄土放大500 倍、2 000 倍的SEM 图像，观察图像可以发现：素黄土孔隙较大，颗粒间胶结不够紧密，500 倍率下可以清楚观察到土样的整体结构是以颗粒为基本单元体的单粒结构，小部分出现团聚状结构，孔隙比较明显，颗粒间主要是通过相互接触连接。从2 000 倍的SEM 图像中发现，颗粒间的连接方式主要是以面-面、点-面、边-边为主，且较为分散，黏粒局部附着在粉粒表面，胶结作用不明显。

图10 素黄土放大不同倍数SEM 图
Figure 10 SEM images of plain loess after magnification at different multiples

图11～13 为凹凸棒土掺量为1%、2%、4%的改良黄土分别在600 倍、3 000 倍率下的SEM 图像。600 倍的放大倍数只能从整体形貌角度分析材料掺入对黄土试样的影响，并不能定性分析改良后土样的颗粒骨架结构、排列形式和连接方式，所以选择将试样放大至3 000 倍率做SEM 扫描图像。

图11 1%掺量凹凸棒土改良黄土放大不同倍数SEM 图Figure 11 SEM images of improved loess by 1% attapulgite after magnification at different multiples

由图11（a）可观察到：加入纳米黏土材料后试样表面孔隙面积显著减少，颗粒间胶结物显著增多，试样表面的孔隙被填满；图12（a）、13（a）中，随着纳米黏土掺量的增大，土体内部孔隙面积有增加趋势，试样表面结构变得较为疏松。对凹凸棒土改良黄土试样进行力学试验，结果表明：1%掺量的凹凸棒土对黄土的力学性能影响最大，而掺量为2%和4%的凹凸棒土改良黄土力学性能较差。

图12 2%掺量凹凸棒土改良黄土放大不同倍数SEM 图Figure 12 SEM images of improved loess by 2% attapulgite after magnification at different multiples

图13 4%掺量凹凸棒土改良黄土放大不同倍数SEM 图Figure 13 SEM images of improved loess by 4% attapulgite after magnification at different multiples

由图11（b）可知：凹凸棒土的掺入使黄土试样颗粒之间圆球状或絮状增加，同时，凹凸棒土材料与黄土中化学物质产生的胶结物能填充黄土孔隙，并有效胶结黄土颗粒，加固黄土颗粒骨架，使土样总孔隙面积显著减少，从而增强土体强度。凹凸棒土使黄土结构类型从镶嵌结构逐步转变为凝块状胶结结构，并且土颗粒间由点接触转变为面接触去；由图12（b）、13（b）可知：随着凹凸棒土掺量的持续增多，颗粒之间孔隙内充填的细小凹凸棒土颗粒有所增加，但形成的团絮状胶结物并未明显增多，总孔隙面积也没有明显减小，土颗粒之间的接触形式依然是面接触，并且颗粒边界不明显。

图14～16 表示纳米蒙脱土掺量为1%、2%、4%的改良黄土分别在600 倍、3 000 倍率下的SEM 图像。

图14 1%掺量纳米蒙脱土改良黄土不同放大倍数SEM 图Figure 14 SEM images of improved loess by 1% nanomontmorillonite after magnification at different multiples

图15 2%掺量纳米蒙脱土改良黄土不同放大倍数SEM 图Figure 15 SEM images of improved loess by 2% nanomontmorillonite after magnification at different multiples

图16 4%掺量纳米蒙脱土改良黄土不同放大倍数SEM 图Figure 16 SEM images of improved loess by 4% nanomontmorillonite after magnification at different multiples

由图14（a）、15（a）、16（a）可知：当纳米蒙脱土掺量从1%增加到4%时，改良黄土试样表面空隙率随着纳米蒙脱土掺量的增大呈现出先增大后减小的趋势，试验表面变得更为致密，而当掺量为4%时，试验表面孔隙反而增多，说明纳米蒙脱土的掺入在一定程度能有效填充试样中的大孔隙和胶结颗粒，掺量越大胶结填充作用反而减弱。这一结果与前文中所述的静力学试验结果相吻合，即2%的纳米蒙脱土改良黄土具有最优的力学性能。

4 结论

本文通过正交设计极差分析和方差分析的方法对凹凸棒土和纳米蒙脱土两种纳米黏土材料改良黄土的力学性能和渗透性能进行对比分析，并利用扫描电镜试验从微观角度分析纳米黏土材料对黄土的改良作用机理，得出以下结论：

（1） 凹凸棒土和纳米蒙脱土掺量分别为1%和2%时，改良黄土抗压强度达到峰值，继续增加掺量，抗压强度的增强效果逐渐降低。

（2） 凹凸棒土和纳米蒙脱土的最优掺量分别为1%和2%。当材料掺量小于等于1%时，凹凸棒土改良黄土的抗剪强度指标总体大于纳米蒙脱土抗剪强度指标，当掺量大于等于2%时，则相反。

（3） 常水头渗透试验结果表明：两种纳米黏土对黄土渗透性能改良效果相近。改良黄土的渗透系数均随着材料掺量的增加而减小，当纳米黏土掺量小于等于1%时，凹凸棒土对黄土的改良效果更好，当纳米黏土掺量大于2%时，则相反。变水头渗透试验结果表明：1%凹凸棒土比1%纳米蒙脱土更能有效改良黄土的渗透性，当材料掺量大于2%时，纳米蒙脱土更能有效改善黄土的渗透性。

（4） SEM 扫描电镜试验结果表明：素黄土整体结构主要是由颗粒、团聚体和孔隙组成，黄土孔隙较大，颗粒间胶结不够紧密，掺加纳米黏土后的黄土试样表面孔隙面积明显减少，其中当凹凸棒土材料掺加量为1%、纳米蒙脱土材料掺量为2%时，改良黄土表面最为致密，孔隙最少，随着纳米黏土掺量的增加，改良效果反而减弱，此微观结构分析与宏观力学试验结果对应。