粉煤灰制备高性能陶瓷学科背景（粉煤灰复掺碳纳米管改性黏土力学性能研究）
粉煤灰制备高性能陶瓷学科背景（粉煤灰复掺碳纳米管改性黏土力学性能研究）细度(0.045 mm方孔筛筛余量)/%表1 粉煤灰参数 综上所述，境内外学者对黏土的改性手段主要为酸碱改性，单掺粉煤灰或单掺纤维改性。在这些学者的研究基础上，选择对粉煤灰改性饱和黏土进行复掺试验研究，复掺材料选择了目前较为新颖的碳纳米管(CNTs)。目前国内外的研究中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，而将纳米材料掺入天然黏性土中的研究较少，作用机理尚不清晰[23 24 25 26 27 28] 因此极具研究价值。根据以往关于粉煤灰改性黏土的研究成果，获得了粉煤灰改性饱和黏土的最佳掺量为20% 并且试验前对粉煤灰掺量为18%、20%、22%的改性饱和黏土进行了击实试验，发现三者最佳含水率相差不到0.8% 而掺量为20%的粉煤灰改性黏土密实度最好，最大干密度最大，达到1.77 因此试验将以粉煤灰掺量为20%的改性黏土为试验对象，分别复掺0
李新宇 刘桂凤 陈正发常州大学环境与安全工程学院摘 要：利用TSZ全自动三轴仪分别对碳纳米管掺量为0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的粉煤灰复掺碳纳米管改性饱和黏土进行了围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa的不排水不固结三轴剪切试验，研究改性饱和黏土的力学性能。试验结果表明：随着碳纳米管的掺入，改性饱和黏土的抗剪强度先增大后缓慢减小，峰值达到561.3 kPa 总体上试验土体的抗剪强度得到提升；内摩擦角先由11.41°减小至9.05°后迅速增大；黏聚力先增大后略微减小，峰值超过170 kPa 总体上试验土体的黏聚力得到了提升。综上可知粉煤灰复掺碳纳米管后能很好地提升饱和黏土的力学性能。
关键词：改性黏土;碳纳米管;三轴剪切试验;抗剪强度;
基金：国家自然科学基金，项目编号51478345;
在公路路基、边坡、建筑基础、土石堤坝等工程中黏土作为填料被广泛应用。但天然黏土往往因为强度不够而无法满足实际工程需要，所以需要对黏土进行改性试验研究以望能弥补其不足[1]。为了提升黏土的力学性质，Diab等[2]将大麻纤维掺入黏土中，结果表明试验土体的剪切强度最多可提升100%。Fagone等[3 4]在试验土体中加入黄麻纤维，发现能明显提升试验的黏聚力。Prabakar[5 6 7]研究了各种不同纤维对黏土强度的影响，发现随着纤维掺入量的增加，试验土体的抗剪强度也随之增大。张瑶丹等[8]采用碱处理红黏土，试验发现经过碱液处理的红黏土抗剪强度明显增强。张金利[9]对聚丙烯纤维红黏土进行试验，发现纤维红黏土强度显著高于红黏土强度。周静静[10]通过掺加固硫灰渣对红黏土进行改性，结果表明改性后的黏土强度有较大提升。蔡佳佳[11]分别用乙酸镁和的焦磷酸钠对凹凸棒土进行改性，发现改性后的土样强度均明显增大，性能得到明显提升。刘家顺等[12]对粉质黏土进行变围压三轴试验，研究了不同应力路径下的土体变化。曹林涛等[13]将纺织纤维掺入黏土中，发现改性黏土的抗剪强度有所提升，且相比于棉质纤维，化学纤维更能改善黏土的力学性能。陈学军等[14]对添加了纳米石墨粉的红黏土进行三轴试验，发现纳米石墨粉红黏土呈现出的力学性质与纳米石墨粉对红黏土孔隙结构的影响、纳米石墨粉对红黏土颗粒的黏附胶结密切相关。孙志亮等[15]对比石灰改性膨胀土与红黏土的强度发展规律，试验发现生石灰改性效果比消石灰改性效果好，且改性后的黏土土样强度均有所提升。颜荣涛等[16 17]使用NaCl溶液处理黏土，建立了盐溶液饱和黏土的本构模型，并提出了一个简单的化学-力学耦合模型。李坦[18]在黏土里面添加适量的粉煤灰后，增大了改性黏土的强度。桑志伟等[19 20]均对粉煤灰改性黏土做了相关试验研究，发现改性后的试验土样强度明显提升，且粉煤灰掺量在20%时粉煤灰改性黏土的力学性质最佳。何连生等[21]采用石灰和粉煤灰对常用的黏土 蒙脱土进行改性试验。徐春一等[22]研究粉煤灰和炉渣对黏土抗压强度的影响，结果显示改性黏土的强度得到极大增强。
综上所述，境内外学者对黏土的改性手段主要为酸碱改性，单掺粉煤灰或单掺纤维改性。在这些学者的研究基础上，选择对粉煤灰改性饱和黏土进行复掺试验研究，复掺材料选择了目前较为新颖的碳纳米管(CNTs)。目前国内外的研究中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，而将纳米材料掺入天然黏性土中的研究较少，作用机理尚不清晰[23 24 25 26 27 28] 因此极具研究价值。
根据以往关于粉煤灰改性黏土的研究成果，获得了粉煤灰改性饱和黏土的最佳掺量为20% 并且试验前对粉煤灰掺量为18%、20%、22%的改性饱和黏土进行了击实试验，发现三者最佳含水率相差不到0.8% 而掺量为20%的粉煤灰改性黏土密实度最好，最大干密度最大，达到1.77 因此试验将以粉煤灰掺量为20%的改性黏土为试验对象，分别复掺0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的CNTs 进行三轴剪切试验，由此探究粉煤灰复掺碳纳米管改性饱和黏土的力学性能。
1 试验方案1.1土样制备及基本参数从常州科教城区域取得天然黏土，经晾晒，碾碎后，过2 mm筛，最后烘干。配制掺量为20%的粉煤灰改性黏土，作为试验的原状土，然后复掺CNTs 掺量分别为0、0.5%、1%、1.5%和2% 得到粉煤灰复掺碳纳米管改性饱和黏土土样，土样制备按照《土工试验方法标准》[29]执行。粉煤灰和CNTs的参数如表1、表2所示。
表1 粉煤灰参数
|
细度(0.045 mm方孔筛筛余量)/% |
需水量比/% |
烧失量/% |
含水量/% |
三氧化硫/% |
游离氧化钙/% |
|
|
≤95 |
≤5 |
≤1 |
≤3 |
≤1 |
表2 碳纳米管参数
|
纯度 |
内径/nm |
外径/nm |
长度/μm |
比表面积/(m2/g) |
密度/(g/m3) |
|
|
3～5 |
8～15 |
3～12 |
>233 |
2.1 |
将试验土体统一制成底面积12 cm2、高8 cm的试件，通过击实试验获得5组土样的最大干密度和最佳含水率，根据土样的最大干密度和最佳含水率配制成直径为39.1 mm 高度为80 mm的三轴剪切试验试样。根据测得的最佳含水率和最大干密度，制作不同CNTs掺量下的三轴试验土样。
试验仪器选用TSZ全自动三轴仪，围压设定分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 剪切速率设定为0.08 mm/min 轴向应变达20%时结束试验并测得试样的抗剪强度指标，即不固结不排水剪切试验的抗剪强度指标cu和φu。试验时，将带有乳胶膜的土样放入三轴仪的压力室内，土样上部依次放置垫板和加压帽，排除土样与乳胶膜间的空气，向压力室内充满水并施加围压。待围压稳定后开始剪切，整个剪切过程中不允许排水，围压不变，轴向压力不断增大，直至轴向应变达20%时停止。
2 击实试验结果与分析试验首先对粉煤灰掺量为18%、20%、22%的改性饱和黏土进行击实试验，发现三者最佳含水率相差很小，不到0.8% 而掺量为20%的粉煤灰改性饱和黏土比掺量为18%和22%的改性饱和黏土明显更加密实，且最大干密度达到了1.77 因此选取粉煤灰掺量为20%的改性饱和黏土作为试验原状土，对5种CNTs掺量的改性饱和黏土进行击实试验，根据击实试验获得含水率与干密度的关系曲线，从而确定各CNTs掺量下的改性饱和黏土的含水率和干密度的关系曲线，如图1所示。
图1 含水率与干密度曲线
根据图1可以得到各个掺量下试验土样的最佳含水率和最大干密度，如图2所示。
由图2可知，随着CNTs掺量的增加，粉煤灰复掺碳纳米管改性饱和黏土最佳含水率逐渐变大，最大干密度逐渐变小。
产生这种现象的主要原因是粉煤灰和碳纳米管都是轻质材料，它们的相对密度远远小于天然黏土，随着掺料的掺入，复合土的颗粒组成发生变化，黏粒减少，粉粒增加，混合土样结构变松散，从而干密度减小。
图2 最佳含水率与最大干密度
另外黏土和掺料都是亲水材料，掺料颗粒本身含有很多的孔洞，所加的水大部分由颗粒孔隙所吸收，同时粉煤灰中含有氧化钠和氧化钾等碱性氧化物，当向粉煤灰改性饱和黏土中加入水时，这些碱性氧化物会与水发生水解水化反应，也会吸收一部分水，所以掺入掺料使得土样的最佳含水率增加。
3 三轴试验结果与分析3.1土样破坏形态分析试验中改性饱和黏土试样主要破坏形式为鼓状破坏及鼓状破坏形式和剪切破坏组合有两种破坏形式。CNTs掺量不同，围压不同，破坏形态也有所不同。CNTs掺量为0、0.5%、1.0%时，试样在4个围压下的破坏形态均表现为鼓状破坏；CNTs掺量为1.5%时，在100 kPa和200 kPa围压时也表现为鼓状破坏，但在300 kPa和400 kPa围压时表现出以鼓状破坏为主的鼓状破坏和剪切破坏的组合破坏；CNTs掺量为2.0%时，试样在100 kPa围压下表现为鼓状破坏，在200 kPa、300 kPa和400 kPa围压下表现以鼓状破坏为主的鼓状破坏和剪切破坏的组合破坏，如图3所示。
由试验分析可知，随着CNTs掺量增加，试验土体的最佳含水率增大。含水率的增加导致剪切面的贯通程度较高，并在较高的轴向应力作用下，让原本只发生鼓状破坏的土样出现部分剪切破坏的特征。
图3 土样形态
3.2土样应力应变特性根据试验方案得出5个不同CNTs掺量下的应力～应变曲线，如图4所示。
由图4可知，CNTs掺量低于1.5%时，试验土样大都表现为弱应变软化型，即加载初期，随着位移增大，应力迅速上升，且应力差在位移为10%左右时达到峰值，后逐渐趋于残余强度，但下降不明显，后半段更趋向于稳定，只有在CNTs掺量为0和0.5% 围压100 kPa时，应力～应变曲线表现出硬化的趋势，即随着位移增大，应力差迅速上升，在位移达到15%时依旧没有出现峰值，仍在缓慢上升，但上升并不明显；而在CNTs掺量达到1.5%后，应变软化现象变得尤为明显，曲线的应力差在位移达到5%左右即出现峰值，经过峰值后应力差下降程度也相对更加明显。
3.3土样抗剪强度指标分析CNTs掺量为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的试验土样所对应的强度包络线如图5所示。
根据图5计算出CNTs掺量为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的试验土样的包络线切线斜率分别为0.201 9、0.178 2、0.159 3、0.167 3、0.241 5 再结合应力～应变曲线，分别获得试验土样的黏聚力和抗剪强度与CNTs掺量的关系曲线。
图6说明试验土样的内摩擦角随CNTs掺量的增加，先减小后增大，但减小部分幅度较小，由11.41°减小至9.05° 若继续增加CNTs的掺量，内摩擦角则会迅速增大，在CNTs掺量为2.0%时内摩擦角甚至达到了13.58° 说明掺入CNTs后对土体内摩擦角的提升有利。
图7中显示随着CNTs掺量的增加，试验土样的黏聚力先增大后减小，黏聚力的最大值出现在CNTs掺量为1.0%～1.5%之间，最大值超过170 kPa 与CNTs掺量为0的试验土样相比，掺入CNTs后的粉煤灰改性饱和黏土的黏聚力得到了有效提升，之后曲线开始下降，因此CNTs掺量控制在1.0%至1.5%时土体黏聚力为最佳。
图4 应力～应变曲线
图8中试验土样的抗剪强度随CNTs掺量的增加先增大后减小，抗剪强度最大值出现在CNTs掺量为0.5%～1.0%之间，达到561.3 kPa 说明CNTs掺量在0.5%～1.0%时，CNTs的掺入对提升粉煤灰改性饱和黏土的抗剪强度有利，之后曲线呈下降趋势，但趋于平稳，说明在掺量超过1.0%后，CNTs虽仍能在一定程度上提升试验土体的抗剪强度，但效果已经大打折扣，因此CNTs掺量控制在0.5%～1.0%为最佳。
4 结语(1)随着掺料的掺入，复合土的颗粒组成发生变化，黏粒减少，粉粒增加，混合土样结构变松散，从而干密度减小；且黏土和掺料都具有一定的亲水性，导致试验土样的最佳含水率随掺料的增加而增大。
(2)试验土样随着CNTs掺量的增加，破坏形式有从鼓状破坏向剪切破坏发展的趋势。
图5 强度包络线
图6 内摩擦角
图7 黏聚力
图8 抗剪强度
(3)应力～应变曲线主要为应变软化型，只有在CNTs掺量为0和0.5%且围压为100 kPa时有应变硬化的趋势，在CNTs掺量达到1.5%后应变软化现象更加明显。
(4)CNTs掺入粉煤灰改性饱和黏土后能有效提升改性黏土的黏聚力和抗剪强度。试验土体黏聚力的最佳掺量处于1.0%～1.5%之间，此时试验土体的黏聚力达到峰值，超过了170 kPa;试验土体抗剪强度的最佳掺量处于0.5%～1.0%之间，此时试验土体的抗剪强度出现峰值，达到了561.3 kPa。
(5)随着CNTs掺量的增加，土体的内摩擦角总体呈增大趋势，且在CNTs掺量为2.0%时试验土体的内摩擦角达到了13.85° 说明掺入CNTs后对土体内摩擦角的提升有利。
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