納米水泥土研究進展概述★

張茂花 劉亞靜

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

納米水泥土研究進展概述★

張茂花 劉亞靜

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

對已有納米水泥土的研究現(xiàn)狀和研究成果(如納米水泥土的強度特性、損傷特性、固化機理、抗腐蝕性等)進行了分析和總結(jié)，并提出了在納米水泥土研究中亟待解決的一些問題，為其進一步研究和工程應用提供了方向。

水泥土，納米材料，強度特性，損傷特性，固化機理，抗腐蝕特性

0 引言

水泥土作為一種建筑材料，在工程上具有廣泛的應用[1,2]，但由于水泥土變形較大，承載能力不高，限制了其在工程上的進一步應用。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，各種外摻劑的應用改善了這種狀況。目前硅粉[3]、粉煤灰等常見的超細微粒材料作為外摻劑應用于水泥土中已經(jīng)很常見，而且研究發(fā)現(xiàn)它們對水泥土性能的改善主要是由于其本身具有火山灰效應。一般來說，顆粒越細，其火山灰活性就越高，也就是說納米硅粉具有比普通硅粉更加明顯的火山灰效應。因此把納米硅粉等納米材料摻入水泥土中，研究其對水泥土的改性作用已經(jīng)成為一種新的探索。

2003年，王立峰[1]首次將納米SiO2作為外加劑摻入普通水泥土中制備納米SiO2水泥土，并且在大量試驗的基礎(chǔ)上研究了其工程特性。自此，關(guān)于納米水泥土的研究相繼開展，陸續(xù)有相關(guān)研究成果見諸報端。

本文綜合整理歸納了近幾年來納米水泥土相關(guān)的研究報道，并且總結(jié)出納米水泥土已經(jīng)取得的一些研究進展，主要包括以下幾個方面。

1 力學特性研究

1.1 強度特性

2003年，王立峰[1]選取納米SiO2作為外加劑制備納米SiO2水泥土，通過大量的三軸試驗，深入地研究了其抗壓強度的影響因素和變化規(guī)律。同年，李剛[2]對分別摻入納米Al2O3及納米TiO2的水泥土的工程性狀進行了研究，并且在研究中增加了齡期和水灰比兩個影響因素。研究表明，納米SiO2對水泥土的抗壓強度增強作用明顯，且就強度而言，納米SiO2摻量存在一個最佳摻量；并且探討了納米SiO2水泥土強度影響因素的主次順序，依次為：水泥摻量、納米SiO2摻量和土的含水量。而納米Al2O3對水泥土的強度影響規(guī)律與納米SiO2基本一致，但其增強效果略差；同時研究得出，納米Al2O3水泥土強度影響因素的主次排列順序與朱向榮等人研究結(jié)果稍有不同，依次是水泥摻量、土的含水量、納米鋁摻量、水灰比；而對于增加的兩個影響因素齡期和水灰比，納米Al2O3水泥土的強度隨齡期增加而增強，水灰比則對其強度影響不大。而納米TiO2水泥土的各齡期強度較普通水泥土強度均大幅度降低。這三種材料的對比讓人們了解到不同的納米材料對水泥土的無側(cè)限抗壓強度增強效果不同，并不是所有的納米材料都可以用來做外加劑，人們應該致力于探索篩選最合適的納米材料做外加劑。

之后有關(guān)納米水泥土的研究中，人們通過建立各種模型和微觀分析，深入的研究納米水泥土的無側(cè)限抗壓強度。2005年，王立峰等人[3]在試驗的基礎(chǔ)上，建立了納米硅水泥土抗壓強度與幾個主要影響因素間的關(guān)系模型，分析了相同強度條件下各因素間的關(guān)系。

之后2012年，在對納米硅水泥土微結(jié)構(gòu)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，用以解釋抗壓強度的分布規(guī)律，這對深入研究納米水泥土抗壓強度具有重要意義。對納米水泥土無側(cè)限抗壓強度的研究表明，人們應該選擇合適的納米材料作為外加劑，并且通過對各個影響因素的具體分析，可以調(diào)整各個影響因素的控制值來配置具有最優(yōu)性能的納米水泥土。

1.2 變形特性

2003年王立峰[1]關(guān)于納米硅水泥土工程特性的試驗研究中對應力—應變曲線與破壞過程進行了描述，即納米硅水泥土的應力—應變關(guān)系呈應變軟化性，隨著應力的變化，應變發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：彈性階段、彈塑性階段、塑性階段。在實際工程中，土體的應力—應變關(guān)系十分復雜，因此必須建立一個準確合理的本構(gòu)模型，為復雜結(jié)構(gòu)的準確分析和合理設(shè)計提供強有力的理論基礎(chǔ)和高效的運算手段。

2004年，在2003年試驗的基礎(chǔ)上，推導出納米硅水泥土材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，給出了硬化模量的一般形式；并結(jié)合試驗資料，推導出納米硅水泥土的f(σij)—wp關(guān)系曲線，可方便地求出硬化模量；研究中還提出了納米硅水泥土的屈服準則，不過未作深入分析[5]。

2005年推導出水泥土的屈服函數(shù)，建立了納米硅水泥土在不同子午線下的屈服準則，并與常用的巖土材料屈服準則進行比較，結(jié)果表明本文建立的準則比較符合納米硅水泥土的屈服性狀[6]。

2006年王立峰等人[7]研究了納米硅水泥土在三維應力空間上及子午面的破壞跡線及其特征，建立了一種5參數(shù)水泥土的破壞準則，與實測破壞曲面相比，結(jié)果表明該準則能很好地描述納米硅水泥土在各種受力狀態(tài)下的破壞特性，從給出的模型中可以方便地預計各種不同應力組合對材料的影響和破壞情況。

2009年王立峰等人[8]在2007年研究的基礎(chǔ)上建立了軸對稱條件下納米硅水泥土有限元方程，用增量剛度求解，在三軸試驗條件下驗證了該程序的合理性；之后以某機場水泥土攪拌樁地基處理方法作為工程背景，應用不同納米硅摻量的水泥土作為地基處理的新材料，與傳統(tǒng)水泥土進行比較，結(jié)果表明，納米硅作為水泥土外加劑用于地基處理可有效地減少地基沉降，提高地基承載力。

目前對納米水泥土的力學性能研究如上文所述，明顯并不完全，如在水泥土中所摻入的納米材料種類過于單一，主要是納米SiO2，而不同的納米材料對水泥土的加固效果不同，且納米材料的種類也越來越多，應該盡可能多地選擇納米材料種類摻入水泥土中進行試驗，分析實驗結(jié)果選擇合適的納米材料作為水泥土外加劑；在對納米水泥土力學性能的研究中，除了無側(cè)限抗壓強度和σ—ε關(guān)系曲線外還可以選擇其他指標進行試驗比較，可以較為全面準確地描述納米水泥土的力學性能。

2 損傷特性

2008年王文軍等人[9]從損傷的角度出發(fā)分析納米硅水泥土的力學特性，通過室內(nèi)試驗分析了無側(cè)限單軸受壓條件下納米硅水泥土的荷載—變形全過程曲線及試樣破壞特性，探討了納米硅水泥土損傷變量的演化規(guī)律，并分析了納米硅粉摻入比對水泥土損傷特性的影響。同年，陳志新[10]建立了不同納米硅粉摻入比下的損傷演化方程，進而推導出損傷本構(gòu)模型，他與王文軍采用不同的定義選用不同的有效彈性模量，所以推導出的損傷變量略有不同。試驗推導出了納米硅水泥土的損傷演化方程，具體形式及參數(shù)選擇因水泥摻合比、納米材料和摻合比等的不同而異。

納米硅水泥土損傷特性的研究為研究納米硅粉對水泥土的微觀改性機理提供了參考，因此今后可以進一步從損傷角度出發(fā)研究納米材料對水泥土的微觀改性機理。

3 固化機理研究

2004年王文軍[11]探討了納米硅粉在水泥水化硬化過程中的作用以及納米硅粉與土之間的作用，研究發(fā)現(xiàn)納米硅粉能夠充分發(fā)揮自身的優(yōu)異特性，通過火山灰反應細化和消耗水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2晶體；促進水泥水化速度和水化程度；充填水泥石中的微小孔隙，改善水泥石的細觀結(jié)構(gòu)，這是納米硅粉改性水泥土的主要原因；摻加納米硅粉可以改善膠凝物質(zhì)與土顆粒之間的連結(jié)作用，但是納米硅粉與土質(zhì)之間的相互作用問題仍有待進一步探討。

2005年通過分析了納米硅粉水泥土的微結(jié)構(gòu)特點及微結(jié)構(gòu)形成過程[12]，提出了納米硅粉水泥土的固化機理：水泥的凝結(jié)硬化、火山灰反應、離子交換反應和填充效應，并且這幾種反應在納米硅粉—水泥漿—土體系強度形成過程是相互影響、共同作用的，因而固化機理十分復雜。

2008年李茂英等人[13]在相關(guān)研究中也指出：納米硅粉的火山灰效應、微粒充填效應和界面效應對水泥土性能的改善，是提高水泥土強度的重要原因。

2012年王立峰[4]借用礦物切片技術(shù)來研究納米硅水泥土的微結(jié)構(gòu)和孔隙特性，在顯微鏡下對納米硅水泥土孔隙及其分布特征進行分析，有助于對納米硅增強水泥土的固化機理的研究。

目前在對納米水泥土固化機理的研究中，對納米材料在水泥土中的作用機理分析并不全面，納米材料與土顆粒之間復雜的反應過程及作用機理需要進一步探索完善，同時不同的土質(zhì)條件下要完全量化納米硅粉—水泥漿—土的共同作用機理，仍有待進一步研究。

4 抗腐蝕性能

水泥土攪拌法處理近海軟土時，水泥土常處于腐蝕性環(huán)境中。

2007年曾慶軍等人[14]選取珠江三角洲典型的淤泥質(zhì)粘土，加入納米硅粉配制水泥土試件，在腐蝕性硫酸鹽溶液和純水中養(yǎng)護到不同齡期，對其進行無側(cè)限抗壓強度對比試驗，研究發(fā)現(xiàn)：納米硅粉能顯著提高水泥土的抗腐蝕性能。

2008年李茂英等人[13]微觀分析了納米硅粉、水泥漿和淤泥質(zhì)粘土三者之間共同作用，表明納米硅粉在硫酸鹽存在的情況下加速了與水泥水化產(chǎn)物的二次水化反應，生成的大凝膠水化產(chǎn)物增加了水泥土的密實性，增加了納米硅粉水泥土的強度，有效地提高了硫酸鹽含量較高的土體環(huán)境中水泥土的耐久性和抗腐蝕能力。研究摻入納米硅粉的水泥土的抗腐蝕性能及其作用機理，為水泥土抗腐蝕性能改良和近海區(qū)軟土水泥土攪拌法加固提供了依據(jù)。

納米水泥土作為一種新型的建筑材料，比普通水泥土更能適應實際工程中復雜多變的地質(zhì)環(huán)境和施工條件。以納米SiO2為例，王立峰[3]研究指出，當納米硅價格降至某一數(shù)值時，要達到相同強度，納米硅水泥土的成本最小。雖然目前的納米材料價格仍相對較高，并不能實現(xiàn)納米材料在水泥土中廣泛使用，但隨著納米材料的工業(yè)化生產(chǎn)以及納米粉體制造技術(shù)的發(fā)展，納米材料的價格將逐年下降，將納米材料作為外加劑應用于水泥土仍具有廣闊的前景。而對于納米水泥土不同方向的研究也為其在實際工程中的應用提供了堅實的理論基礎(chǔ)。

另外納米水泥土的其他特性如滲透性、動力特性等相關(guān)研究并未開展。因此在今后的工作中需要全面的研究納米水泥土的工程特性，深入探索并完善納米水泥土的固化機理，為納米水泥土的全面研究和推廣提供理論依據(jù)。

[1] 王立峰.納米硅水泥土工程特性及本構(gòu)模型研究[D].杭州：浙江大學,2003.

[2] 李 剛.納米材料水泥土工程性狀試驗研究[D].杭州：浙江大學,2003.

[3] 王立峰,朱向榮.納米硅水泥土強度研究和經(jīng)濟分析[J].浙江建筑，2005,22(4):57- 60.

[4] 王立峰.納米硅水泥土微結(jié)構(gòu)和孔隙特性分析[J].科技通報，2012,28(9):31-35.

[5] 王立峰,朱向榮,王陳捷,等.納米硅水泥土本構(gòu)模型研究[J].浙江科技學院學報，2004,16(4):259-264.

[6] 王立峰,朱向榮,張學文,等.納米硅水泥土屈服特性分析[J].科技通報，2005,21(3):327-331.

[7] 王立峰,夏建中,朱向榮.納米硅水泥土破壞準則研究[J].巖土力學，2006,27(10):1767-1771.

[8] 王立峰,黃洪勉.納米硅水泥土彈塑性有限元分析[J].巖土力學，2009,30(1):73-146.

[9] 王文軍,朱向榮,方鵬飛.納米硅粉水泥土損傷特性分析[J].科技通報，2008,24(2):219-223.

[10] 陳志新.納米硅粉水泥土損傷模型分析[J].福建建筑，2008,119(5):60-63.

[11] 王文軍.納米礦粉水泥土固化機理及損傷特性研究[D].杭州：浙江大學,2004.

[12] 王文軍,朱向榮,方鵬飛.納米硅粉水泥土固化機理研究[J].浙江大學學報，2005,39(1):148-153.

[13] 李茂英,李加林,曾慶軍.納米硅粉改善水泥土抗腐蝕性能機理研究[J].路基工程，2008,140(5):40- 42.

[14] 曾慶軍,莫海鴻,廖建春,等.納米硅粉水泥土抗腐蝕性能研究[J].科學技術(shù)與工程，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?；究蒲袠I(yè)務費專項基金項目(項目編號:2013CBQ02)；黑龍江省博士后科研啟動金項目(項目編號:LBH-Q13001)

張茂花(1977- )，女，博士，碩士生導師，副教授； 劉亞靜(1990- )，女，在讀碩士

TU525

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