不同納米黏土改良黃土試驗結(jié)果對比分析

趙丹妮，曹寶花，2，許江波*，南亞林，陳能遠(yuǎn)，張鵬，王和平

（1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.西安長大公路工程檢測中心有限公司，陜西 西安 710064；3.信電綜合勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710054；4.陜西省土體工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710054；5.陜西交建公路工程試驗檢測有限公司，陜西 西安 710117）

0 引言

黃土作為中國廣泛分布的特殊土，是西北地區(qū)常用的建筑材料。由于黃土具有多孔隙、顆粒間膠結(jié)性差等不良工程特性，故單純的壓實黃土不能很好滿足工程對于承載力與滲透性的要求。因此對黃土進(jìn)行改良，提高其物理力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)，對于黃土在工程中的應(yīng)用具有重要意義。

張豫川等［1］針對長齡期條件下石灰和粉煤灰對黃土的改良作用，開展室內(nèi)試驗研究各因素對改良黃土抗剪強(qiáng)度和滲透性的影響及長齡期效應(yīng)；劉釗釗等［2］基于土-水特征曲線試驗和濕化崩解試驗，研究不同摻量木質(zhì)素改良黃土的持水性和水穩(wěn)性，并結(jié)合掃描電鏡測試探討摻入木質(zhì)素導(dǎo)致黃土水穩(wěn)性改善的內(nèi)在機(jī)制；王天亮等［3］在大量動靜三軸試驗的基礎(chǔ)上，研究了水泥改良土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、摻和比及圍壓等影響因素；張虎元等［4］利用抗疏力土壤固化劑對黃土進(jìn)行化學(xué)改性試驗，對不同配比的抗疏力固化黃土擊實試驗、單軸抗壓試驗，探討抗疏力固化劑在黃土地區(qū)運(yùn)用的可行性；王任杰［5］采用水泥對黃土進(jìn)行改良，通過室內(nèi)試驗手段，綜合研究了水泥改良黃土物理力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)及改良機(jī)理；李振［6］采用生石灰對黃土進(jìn)行改良，研究生石灰改良黃土的水分變化、擊實特性、稠度特征、崩解特性和水化學(xué)性質(zhì)，分析生石灰含量和養(yǎng)護(hù)周期對黃土物理化學(xué)性質(zhì)的影響。

納米材料是一門在近幾十年興起，并在近20 年得到迅速發(fā)展的材料分支學(xué)科。由于納米材料表征尺度小，比表面積大，使其在陶瓷材料、傳感器、功能材料、復(fù)合材料等諸多科學(xué)、工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到非常廣泛的應(yīng)用。因此，將納米材料應(yīng)用于土體改良中是一種新的土體改良思路。

Taha 等［7］研究了納米黏土、納米氧化鋁和納米銅等納米材料對壓實土體表面干燥裂紋發(fā)展的影響；Mauter 等［8］發(fā)現(xiàn)添加了3%碳納米管的土的抗壓強(qiáng)度比原始黏質(zhì)土提高約1.2 倍；Tomar 等［9］測試納米二氧化硅和聚丙烯纖維復(fù)合處理的黏土的強(qiáng)度性能和耐久性，發(fā)現(xiàn)隨著兩種添加物含量的增加，單軸抗壓強(qiáng)度也隨之增加；Ren 等［10］對粉質(zhì)黏土的比重、液塑限、單軸抗壓強(qiáng)度等力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行了研究；周斌等［11］將納米Al2O3作為外摻劑應(yīng)用于黏土改性研究，研究了不同含水量和不同納米Al2O3摻量下淤泥質(zhì)黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律；肖繼強(qiáng)［12］采用不同納米材料SiO2和Al2O3對淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行改良，此研究為納米材料能更好地在工程中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)；王文軍等［13］通過研究納米硅粉改性水泥土在不同齡期下無側(cè)限試驗發(fā)現(xiàn)，納米硅粉摻量和齡期的不同，強(qiáng)度改性也不同。

目前，納米材料常被用于水泥基材料的改良劑，并且已取得了豐碩的研究成果。但在黃土中的應(yīng)用較少［14］，且其改良機(jī)理也不明確。因此開展納米材料改性黃土的研究顯得尤為重要。本文采用兩種不同納米黏土改良黃土，通過室內(nèi)力學(xué)試驗探討不同納米黏土及摻量對黃土各種性能的影響，在室內(nèi)試驗分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，探討納米黏土改良黃土的微觀機(jī)理，為納米材料應(yīng)用于黃土及更多土體中提供了工程基礎(chǔ)。

1 正交試驗設(shè)計及結(jié)果分析

1.1 試驗材料

本文所采用的凹凸棒土及納米蒙脫土物理性質(zhì)指標(biāo)見表1，試驗用黃土為陜西省延安市黃土（圖1、表2、圖2）。

圖1 原狀樣取土現(xiàn)場圖片F(xiàn)igure 1 Pictures of on-site extraction of soil in its original state

圖2 黃土的顆粒級配曲線Figure 2 Particle gradation curve of loess

表1 凹凸棒土、納米蒙脫土物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of attapulgite and nano-montmorillonite

表2 黃土基本物理性質(zhì)參數(shù)Table 2 Basic physical properties of loess

1.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度正交試驗設(shè)計

1.2.1 試驗方案設(shè)計

試樣在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗過程不受側(cè)向力，只受法向作用力，相當(dāng)于周圍壓力為0 的三軸試驗。本次試驗選取兩種納米黏土材料摻量分別為1%、2%、4%、6%，控制改良土干密度為1.55 g/cm3，土含水率為5%、10%、15%、20%，養(yǎng)護(hù)齡期為1 d、7 d、14 d、28 d，加載速率為0.5 mm/min，共制作96 個試樣。

1.2.2 正交試驗設(shè)計

凹凸棒土改良黃土抗壓強(qiáng)度試驗的影響因素有凹凸棒土摻量、含水率和養(yǎng)護(hù)齡期；納米蒙脫土改良黃土抗壓強(qiáng)度試驗的影響因素有納米蒙脫土摻量、含水率及養(yǎng)護(hù)齡期，通過三因素四水平的正交試驗設(shè)計，對兩種納米黏土改良黃土的抗壓強(qiáng)度開展因素敏感性分析。假設(shè)顯著性水平為0.05，用“A”“B”“C”分別表示“凹凸棒土摻量”“含水率”“養(yǎng)護(hù)齡期”3 種因素；“A′”“B′”“C′”分 別表示“納米蒙脫土摻量”“含水率”“養(yǎng)護(hù)齡期”3 種因素，表3 為因素水平設(shè)計，正交試驗設(shè)計如表4 所示，分別進(jìn)行16 組試驗。

表3 三因素四水平設(shè)計Table 3 Four horizontal design of three factors

表4 正交試驗設(shè)計Table 4 Orthogonal test design

1.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度正交試驗結(jié)果對比

1.3.1 正交試驗極差結(jié)果對比

兩種納米黏土改良黃土各影響因素與試驗指標(biāo)關(guān)系見圖3。

圖3 兩種納米黏土改良黃土各影響因素與試驗指標(biāo)關(guān)系Figure 3 Relationship between influencing factors of two nano-clay improved loess and test indexes

由圖3 可得：

（1） 對于凹凸棒土，改良黃土抗壓強(qiáng)度對3 種因素的敏感程度為B＞A＞C。各因素的最優(yōu)水平分別為A1、B1、C1，最優(yōu)組合為A1B1C1，說明當(dāng)凹凸棒土摻量為1%、含水率為5%、養(yǎng)護(hù)齡期為1 d 時，改良黃土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值169.3 kPa。

（2） 對于納米蒙脫土，3 種因素對改良黃土抗壓強(qiáng)度影響的主次順序為B′＞A′＞C′。從各因素對應(yīng)水平的指標(biāo)均值可以得出各因素的最優(yōu)水平分別為A′2、B′1、C′3，即最優(yōu)組合為A′2B′1C′3，說明當(dāng)納米蒙脫土摻量為2%、含水率為5%、養(yǎng)護(hù)齡期為14 d 時，改良黃土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值202 kPa。

（3） 納米蒙脫土改良黃土的折線總體位于凹凸棒土改良黃土折線的上方，且兩者對黃土抗壓強(qiáng)度的影響隨著材料摻量的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，因此可以說明納米黏土材料的摻量并非越多越好。主要原因是適量的納米黏土可以有效膠結(jié)顆粒和填充孔隙，并增強(qiáng)土體雙電層吸附作用從而提升黏聚力，增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度。但當(dāng)摻量較大時納米黏土本身黏結(jié)性和整合性會促使納米黏土優(yōu)先與自身結(jié)合，而非先進(jìn)行膠結(jié)顆粒和填充孔隙，導(dǎo)致無法有效加固土體；同時土顆粒間的納米黏土顆粒增多，會加大土顆粒間的距離，導(dǎo)致顆粒間的吸引力降低，使納米黏土在土體中起“潤滑作用”，最終導(dǎo)致土體抗壓強(qiáng)度減?。?5］。當(dāng)試樣含水率增加時，兩種納米黏土改良黃土抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)減小趨勢，其中含水率比納米黏土材料摻量對改良土抗壓強(qiáng)度影響更為顯著。原因主要是含水率的增大加厚了黃土顆粒間的水化膜，增加了顆粒間的潤滑作用，且當(dāng)試樣總體含水率提高時，試樣密實度會降低，所以改良黃土抗壓強(qiáng)度減小，C 因素對凹凸棒土改良黃土抗壓強(qiáng)度影響，極差值僅為2.3 kPa，而納米蒙脫土改良黃土抗壓強(qiáng)度極差值為30.5 kPa，說明養(yǎng)護(hù)齡期對納米蒙脫土改良黃土的影響比凹凸棒土改良黃土更為顯著。

1.3.2 正交試驗方差結(jié)果對比

以抗壓強(qiáng)度為試驗指標(biāo)，正交試驗方差分析原理是F檢驗，通過計算各因素的顯著性p值，并將其與顯著性水平進(jìn)行數(shù)值比較，便可確定該因素的顯著性。

正交設(shè)計試驗方差分析采用IBM SPSS Statistic 25 統(tǒng)計分析軟件，表5 為凹凸棒土、納米蒙脫土改良黃土正交試驗方差分析結(jié)果。

表5 正交試驗方差分析結(jié)果Table 5 Variance analysis results of orthogonal test

方差分析的因變量為改良黃土抗壓強(qiáng)度，主效應(yīng)的固定因子為A、B、C 3 個因素。由表5 中各因素顯著性p值可以看出：納米黏土摻量、含水率、養(yǎng)護(hù)齡期對改良黃土抗壓強(qiáng)度的影響都較顯著。

1.4 三軸試驗結(jié)果對比

對試樣進(jìn)行固結(jié)不排水試驗，圖4、5分別為改良黃土的p～q與p′～q曲線，圖中K′f與Kf分別表示有效應(yīng)力路徑的破壞主應(yīng)力線與總應(yīng)力路徑的破壞主應(yīng)力線。

圖4 1%凹凸棒土改良黃土的應(yīng)力路徑Figure 4 Stress path of improved loess by 1% attapulgite

圖5 2%納米蒙脫土改良黃土的應(yīng)力路徑Figure 5 Stress path of improved loess by 2%nano-mo ntmorillonite

抗剪強(qiáng)度主要受抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ影響，所以可由抗剪強(qiáng)度指標(biāo)來反映出抗剪強(qiáng)度的變化，兩種納米材料改良黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對比關(guān)系見圖6。

圖6 兩種納米材料改良黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對比關(guān)系Figure 6 Comparative relationship between shear strength indexes of improved loess by two nanomaterials

由圖6 可得：同一干密度情況下，兩種納米黏土的摻加對于黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有明顯的影響，兩種納米黏土對于改良后黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響是先增大后減小的關(guān)系，當(dāng)摻量為2%時，納米蒙脫土對于改良黃土的影響最大。產(chǎn)生如此差別的原因可能為：納米黏土的摻量過大，導(dǎo)致在黃土中的分散性差，而凹凸棒土的比表面積大，更容易發(fā)生團(tuán)聚，從而影響改良效果。而納米蒙脫土比表面積相對較小，所以相同摻量下團(tuán)聚效果小，因此納米黏土的摻量并不是越多越好［16］。

對凹凸棒土和蒙脫土改良黃土的內(nèi)摩擦角φ關(guān)于納米材料摻量和干密度ρd進(jìn)行函數(shù)擬合，如式（1）、（2）所示：

凹凸棒土擬合公式為：

納米蒙脫土擬合公式：

式中：cA和cM分別表示納米黏土和凹凸棒土摻量。

式（1）、（2）中擬合度分別為0.961 3 和0.964 4。說明擬合結(jié)果良好。

2 納米黏土改良黃土滲透試驗對比

2.1 常水頭滲透正交試驗方案設(shè)計

2.1.1 試驗方案

兩種納米黏土改良黃土滲透試驗材料摻量分別為1%、2%、4%、8%，設(shè)定常水頭滲透試驗試樣的干密度分別為ρd=1.35 g/cm3、1.45 g/cm3、1.55 g/cm3、1.65 g/cm3，圍壓為0、100 kPa、200 kPa、300 kPa。

2.1.2 正交試驗結(jié)果分析

以滲透系數(shù)為試驗指標(biāo)，通過各因素對改良黃土滲透系數(shù)的影響程度進(jìn)行敏感性分析。假設(shè)顯著性水平為0.05，用A、B、C 分別表示凹凸棒土改良黃土滲透系數(shù)的影響因素“摻量”“干密度”“圍壓”，用A′、B′、C′分別表示納米蒙脫土改良黃土滲透系數(shù)的影 響 因 素“摻 量”“干 密 度”“圍 壓”，3 種 因 素 的4 種 影響水平如表6 所示，正交試驗設(shè)計如表7 所示。

表6 三因素四水平設(shè)計Table 6 Four horizontal designs of three factors

表7 正交試驗設(shè)計Table 7 Orthogonal test design

2.2 常水頭滲透正交試驗結(jié)果對比

2.2.1 正交試驗極差結(jié)果對比

圖7 為兩種納米黏土改良黃土常水頭滲透系數(shù)隨各因素變化的關(guān)系曲線。

圖7 兩種納米黏土改良黃土各影響因素與試驗指標(biāo)關(guān)系Figure 7 Relationship between influencing factors of two nano-clay improved loess and test indexes

滲透系數(shù)值越小，對黃土改良效果越好。其中對兩種納米黏土改良黃土滲透系數(shù)影響最大的因素是干密度，材料摻量次之，圍壓最小。從各因素對應(yīng)水平的試驗指標(biāo)均值可以得出各因素的最優(yōu)組合為A4B4C4、A′4B′4C′4。

凹凸棒土改良黃土與納米蒙脫土改良黃土的各因素與試驗性能指標(biāo)趨勢線總體相差不大，說明兩種納米黏土材料對黃土的滲透性能改良效果相近。由圖7（a）可知：兩種納米黏土的滲透系數(shù)均會隨著材料摻量的增加而減小，當(dāng)納米黏土摻量小于等于2%時，凹凸棒土改良黃土的滲透系數(shù)比納米蒙脫土改良黃土的滲透系數(shù)小，說明凹凸棒土對黃土的改良效果更好。原因是：納米黏土顆粒較細(xì)，平均粒徑一般為30 nm，黃土試樣中加入兩種納米黏土后，都可以增強(qiáng)改良黃土抗?jié)B性，一方面細(xì)小的納米黏土顆?？梢杂行畛潼S土大顆粒之間孔隙，在一定程度上能降低黃土的滲透系數(shù)；另一方面，由于納米黏土中SiO2和CaO 可以和黃土中的礦物成分發(fā)生化學(xué)作用，產(chǎn)生膠結(jié)物質(zhì)，從而使黃土顆粒膠結(jié)成團(tuán)，堵塞了黃土中的大孔隙，阻礙土體中水分流動，達(dá)到抗?jié)B作用。凹凸棒土作為一維納米材料，當(dāng)摻量增多時顆粒間由于容易凝結(jié)成塊，其性能反而下降，所以當(dāng)摻量大于2%時其改良黃土的滲透系數(shù)較納米蒙脫土改良黃土大；由圖7（b）可知：隨著試樣干密度的增大，兩種納米黏土材料的滲透系數(shù)均會減小，并且相差甚微；由圖7（c）可知：圍壓的增大能使兩種材料改良黃土滲透系數(shù)都呈現(xiàn)減小趨勢。

2.2.2 正交試驗方差結(jié)果對比

設(shè)定正交設(shè)計試驗方差分析的顯著性水平p為0.05，通過計算各因素的顯著性值，并將其與顯著性水平進(jìn)行數(shù)值比較，便可確定該因素的顯著性。

表8 為凹凸棒土、納米蒙脫土改良黃土正交試驗方差分析結(jié)果。

表8 凹凸棒土、納米蒙脫土改良黃土正交設(shè)計方差分析結(jié)果Table 8 Variance analysis results of orthogonal design of improved loess by attapulgite and nano-montmorillonite

方差分析的因變量為改良黃土的滲透系數(shù)，主效應(yīng)的固定因子為A、B、C 和A′、B′、C′ 6 個因素。由表8 可知：6 種因素改良黃土的p值都為0，均小于顯著性水平0.05，說明兩種納米黏土材料、干密度、圍壓對改良黃土的抗壓強(qiáng)度的影響都較顯著。

2.3 變水頭滲透正交試驗結(jié)果對比

2.3.1 試驗方案

設(shè)變水頭滲透試驗試樣的干密度分別為1.45 g/cm3、1.55 g/cm3。分 別 按 照61.8 mm×40 mm 和39.1 mm×80 mm 制作試件，養(yǎng)護(hù)齡期均為1 d，共制作160 個試樣。

2.3.2 正交試驗結(jié)果對比

圖8 中ρdA、ρdM分別表示凹凸棒土、納米蒙脫土改良黃土的干密度。

圖8 納米黏土改良黃土變水頭滲透系數(shù)對比Figure 8 Comparison of permeability coefficients of nano-clay improved water head

由圖8 可知：當(dāng)材料摻量小于等于1%時，凹凸棒土改良黃土滲透系數(shù)小于納米蒙脫土改良黃土的滲透系數(shù)，說明1%凹凸棒土比1%納米蒙脫土更能有效改良黃土的滲透性；當(dāng)材料摻量大于2%時，相同干密度情況下，納米蒙脫土改良黃土的滲透系數(shù)小于凹凸棒土改良黃土，說明大于2%摻量的納米蒙脫土更能有效改善黃土的滲透性。

3 納米黏土改良黃土微觀機(jī)理分析

3.1 掃描電鏡試驗原理

掃描電鏡是目前室內(nèi)試驗常用的試樣微觀分析軟件，其成像原理為：首先以電子槍不斷發(fā)射高能電子束，通過聚光鏡和物鏡把電子束轉(zhuǎn)換為光柵狀使其垂直入射到試樣表面，入射電子束的能量一部分被樣品表面反射，而其余能量電子束則穿透樣品，投射至熒光屏上，將所有熒光屏上的亮點集合起來得到SEM 圖像信息［17-18］。

3.2 試驗方案

將改良黃土三軸試件從中部掰開，露出新鮮較為平整的斷面，然后使用小刀及鑿具加工成1 cm×1 cm×0.5 cm 左右的小試樣，并置于105 ℃烘箱烘干，然后用導(dǎo)電膠帶將試樣粘貼在圓盤上，為了提高圖像的質(zhì)量和分辨率，進(jìn)行噴金處理后裝樣，如圖9 所示。

圖9 噴金后改良黃土試樣裝樣Figure 9 Improved loess specimen loading after metal spraying

3.3 兩種納米黏土改良黃土微觀機(jī)理分析

掃描電鏡試樣選取養(yǎng)護(hù)時間為1 d、干密度為1.55 g/cm3條件下材料摻量為0、1%、2%、4%的納米黏土改良黃土。

圖10 表示素黃土放大500 倍、2 000 倍的SEM 圖像，觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)：素黃土孔隙較大，顆粒間膠結(jié)不夠緊密，500 倍率下可以清楚觀察到土樣的整體結(jié)構(gòu)是以顆粒為基本單元體的單粒結(jié)構(gòu)，小部分出現(xiàn)團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)，孔隙比較明顯，顆粒間主要是通過相互接觸連接。從2 000 倍的SEM 圖像中發(fā)現(xiàn)，顆粒間的連接方式主要是以面-面、點-面、邊-邊為主，且較為分散，黏粒局部附著在粉粒表面，膠結(jié)作用不明顯。

圖10 素黃土放大不同倍數(shù)SEM 圖
Figure 10 SEM images of plain loess after magnification at different multiples

圖11～13 為凹凸棒土摻量為1%、2%、4%的改良黃土分別在600 倍、3 000 倍率下的SEM 圖像。600 倍的放大倍數(shù)只能從整體形貌角度分析材料摻入對黃土試樣的影響，并不能定性分析改良后土樣的顆粒骨架結(jié)構(gòu)、排列形式和連接方式，所以選擇將試樣放大至3 000 倍率做SEM 掃描圖像。

圖11 1%摻量凹凸棒土改良黃土放大不同倍數(shù)SEM 圖Figure 11 SEM images of improved loess by 1% attapulgite after magnification at different multiples

由圖11（a）可觀察到：加入納米黏土材料后試樣表面孔隙面積顯著減少，顆粒間膠結(jié)物顯著增多，試樣表面的孔隙被填滿；圖12（a）、13（a）中，隨著納米黏土摻量的增大，土體內(nèi)部孔隙面積有增加趨勢，試樣表面結(jié)構(gòu)變得較為疏松。對凹凸棒土改良黃土試樣進(jìn)行力學(xué)試驗，結(jié)果表明：1%摻量的凹凸棒土對黃土的力學(xué)性能影響最大，而摻量為2%和4%的凹凸棒土改良黃土力學(xué)性能較差。

圖12 2%摻量凹凸棒土改良黃土放大不同倍數(shù)SEM 圖Figure 12 SEM images of improved loess by 2% attapulgite after magnification at different multiples

圖13 4%摻量凹凸棒土改良黃土放大不同倍數(shù)SEM 圖Figure 13 SEM images of improved loess by 4% attapulgite after magnification at different multiples

由圖11（b）可知：凹凸棒土的摻入使黃土試樣顆粒之間圓球狀或絮狀增加，同時，凹凸棒土材料與黃土中化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生的膠結(jié)物能填充黃土孔隙，并有效膠結(jié)黃土顆粒，加固黃土顆粒骨架，使土樣總孔隙面積顯著減少，從而增強(qiáng)土體強(qiáng)度。凹凸棒土使黃土結(jié)構(gòu)類型從鑲嵌結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槟龎K狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)，并且土顆粒間由點接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|去；由圖12（b）、13（b）可知：隨著凹凸棒土摻量的持續(xù)增多，顆粒之間孔隙內(nèi)充填的細(xì)小凹凸棒土顆粒有所增加，但形成的團(tuán)絮狀膠結(jié)物并未明顯增多，總孔隙面積也沒有明顯減小，土顆粒之間的接觸形式依然是面接觸，并且顆粒邊界不明顯。

圖14～16 表示納米蒙脫土摻量為1%、2%、4%的改良黃土分別在600 倍、3 000 倍率下的SEM 圖像。

圖14 1%摻量納米蒙脫土改良黃土不同放大倍數(shù)SEM 圖Figure 14 SEM images of improved loess by 1% nanomontmorillonite after magnification at different multiples

圖15 2%摻量納米蒙脫土改良黃土不同放大倍數(shù)SEM 圖Figure 15 SEM images of improved loess by 2% nanomontmorillonite after magnification at different multiples

圖16 4%摻量納米蒙脫土改良黃土不同放大倍數(shù)SEM 圖Figure 16 SEM images of improved loess by 4% nanomontmorillonite after magnification at different multiples

由圖14（a）、15（a）、16（a）可知：當(dāng)納米蒙脫土摻量從1%增加到4%時，改良黃土試樣表面空隙率隨著納米蒙脫土摻量的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，試驗表面變得更為致密，而當(dāng)摻量為4%時，試驗表面孔隙反而增多，說明納米蒙脫土的摻入在一定程度能有效填充試樣中的大孔隙和膠結(jié)顆粒，摻量越大膠結(jié)填充作用反而減弱。這一結(jié)果與前文中所述的靜力學(xué)試驗結(jié)果相吻合，即2%的納米蒙脫土改良黃土具有最優(yōu)的力學(xué)性能。

4 結(jié)論

本文通過正交設(shè)計極差分析和方差分析的方法對凹凸棒土和納米蒙脫土兩種納米黏土材料改良黃土的力學(xué)性能和滲透性能進(jìn)行對比分析，并利用掃描電鏡試驗從微觀角度分析納米黏土材料對黃土的改良作用機(jī)理，得出以下結(jié)論：

（1） 凹凸棒土和納米蒙脫土摻量分別為1%和2%時，改良黃土抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，繼續(xù)增加摻量，抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果逐漸降低。

（2） 凹凸棒土和納米蒙脫土的最優(yōu)摻量分別為1%和2%。當(dāng)材料摻量小于等于1%時，凹凸棒土改良黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)總體大于納米蒙脫土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，當(dāng)摻量大于等于2%時，則相反。

（3） 常水頭滲透試驗結(jié)果表明：兩種納米黏土對黃土滲透性能改良效果相近。改良黃土的滲透系數(shù)均隨著材料摻量的增加而減小，當(dāng)納米黏土摻量小于等于1%時，凹凸棒土對黃土的改良效果更好，當(dāng)納米黏土摻量大于2%時，則相反。變水頭滲透試驗結(jié)果表明：1%凹凸棒土比1%納米蒙脫土更能有效改良黃土的滲透性，當(dāng)材料摻量大于2%時，納米蒙脫土更能有效改善黃土的滲透性。

（4） SEM 掃描電鏡試驗結(jié)果表明：素黃土整體結(jié)構(gòu)主要是由顆粒、團(tuán)聚體和孔隙組成，黃土孔隙較大，顆粒間膠結(jié)不夠緊密，摻加納米黏土后的黃土試樣表面孔隙面積明顯減少，其中當(dāng)凹凸棒土材料摻加量為1%、納米蒙脫土材料摻量為2%時，改良黃土表面最為致密，孔隙最少，隨著納米黏土摻量的增加，改良效果反而減弱，此微觀結(jié)構(gòu)分析與宏觀力學(xué)試驗結(jié)果對應(yīng)。