纳米氧化镁改性黏土强度特性试验.pdf

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1、第５期水利水运工程学报Ｎｏ．５２０１６年１０月ＨＹＤＲＯ⁃ＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＯｃｔ．２０１６ＤＯＩ：１０．１６１９８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００９－６４０Ｘ．２０１６．０５．０１２任真，余湘娟，高磊．纳米氧化镁改性黏土强度特性试验［Ｊ］．水利水运工程学报，２０１６（５）：８５－９０．（ＲＥＮＺｈｅｎ，ＹＵＸｉａｎｇ⁃ｊｕａｎ，ＧＡＯＬｅｉ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｎａｎｏ⁃ＭｇＯｍｏｄｉｆｉｅｄｓｏｉｌ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏ⁃ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅ

2、ｒｉｎｇ，２０１６（５）：８５－９０．）纳米氧化镁改性黏土强度特性试验１，２，３１，２，３１，２，３任真，余湘娟，高磊（１．河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京２１００９８；２．河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心，江苏南京２１００９８；３．河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京２１００９８）摘要：为了研究纳米氧化镁对黏性土强度的影响情况，将纳米氧化镁均匀地掺入到黏性土中进行直接剪切试验，并通过扫描电镜试验对剪切面上的微观颗粒进行观察。在含水率分别为１０％，１６％和２２％的情况下，将纳米氧化镁按照０，２％，４％和６％的掺量（质

3、量分数）加入到黏性土试样中进行试验。直剪试验结果表明：当含水率相同时，随纳米氧化镁掺量的增加，纳米氧化镁改性黏土的黏聚力逐渐增大，但是掺量对改性土内摩擦角的影响并不明显；当纳米氧化镁掺量相同时，随含水率增加，改性土的黏聚力呈现出先增后减的趋势，而内摩擦角则逐渐减小。扫描电镜试验结果表明：纳米氧化镁的掺入会降低土体孔隙比，增强颗粒间胶结作用，从而达到改变黏性土剪切强度的目的。关键词：纳米氧化镁；纳米改性黏土；抗剪强度；扫描电镜中图分类号：ＴＵ４４７文献标志码：Ａ文章编号：１００９－６４０Ｘ（２０１６）０５－００８５－０６随着经济建设快速发展，研

4、发新型材料对软弱土层进行加固处理，提高土体的抗剪强度和承载力成为岩［１－６］土工程研究的热点。纳米材料是指特征尺寸介于１～１００ｎｍ间的固体材料，由于晶粒的超细化，在化学、光学、电磁学和力学［７］等方面显示出不同于传统材料的性能，被称为２１世纪社会经济发展的三大支柱之一。目前国内外以纳米材料作为外掺剂对水泥基材料改性的研究较多，并在改善材料性能与作用机理方面取得进展，而将纳米材料［８－１７］［１８］掺入天然黏性土中的研究较少，作用机理尚不清晰。宋杰等探讨了各种纳米材料对土体无侧限抗压强度的影响，通过试验得出纳米ＳｉＯ掺量存在一定范围，在范围内

5、土的无侧限抗压强度随掺量的增大而增２［１９］大，超过范围则会随之减小。Ｍ．Ｒ．Ｔａｈａ等通过试验研究纳米材料对土膨胀和收缩行为的影响，试验发现合理掺量的纳米材料可以减少膨胀应变和收缩变形，在保证渗透系数的基础上抑制土样干燥裂缝的发展。［２０］其中，纳米铜对土膨胀收缩行为的影响比纳米铝更大。周斌等开展了一系列无侧限抗压强度试验研究纳米Ａ１Ｏ对黏性土强度的影响，试验结果表明，土样强度随着纳米Ａ１Ｏ掺量的增大而增大，当纳米掺量达２３２３到４％时能显著提高黏土强度。本文选用表面效应显著、环境友好的纳米氧化镁（ｎａｎｏ⁃ＭｇＯ，简称：ＮＭ）作为外掺剂，

6、通过改变纳米氧化镁掺量和土样含水率，进行直剪试验来研究纳米氧化镁对黏性土抗剪强度的影响。并借助扫描电镜，观察剪切面上纳米氧化镁颗粒在土中的分布情况，对其作用机理进行初步探讨，以期为纳米氧化物的改性应用提供参考。收稿日期：２０１５－１０－１０基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１５０８１５９）；江苏省自然科学基金资助项目（ＢＫ２０１３０８３２）；高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助项目（２０１２００９４１２００１５）作者简介：任真（１９９３—），女，江苏淮安人，硕士研究生，主要从事土力学性质研究。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｒｅｎｚｈｅｎｈｈｕ＠１６

7、３．ｃｏｍ８６水利水运工程学报２０１６年１０月１试验简介１.１试验材料纳米氧化镁为白色粉末状固体，具有高硬度、高纯度、高熔点等特性，且具有一定的黏结性和活性。本次试验采用安徽宣城晶瑞新材料有限公司生产的ＶＫ⁃Ｍｇ３０型纳米氧化镁，其平均粒径为３０～４０ｍｍ，表面积２为１６ｍ／ｇ，ｐＨ值为７.５，质量分数大于９９.９９％。试验用土为分布较为广泛的低液限黏土，取自南京市河西区某工地，其基本物理力学性质见表１。表１土的基本物理力学性质Ｔａｂ.１Ｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｌａｙｓｏｉｌ／％塑限ｗ／％塑性指数Ｉ体积质量Ｇ最优含水率ｗ／％

8、最大干密度ρ－３土样名称液限ｗＬＰＰＳｏｐｄ／（ｇ·ｃｍ）低液限黏土４３.６２３.３２０.３２.６４２０.６９１.６４１.２试验内容为了研究掺量和含水率对黏性土抗剪