黃土廣泛分布在世界上的許多地方,而中國是世界上黃土分布最廣泛的國家。由于黃土特殊的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征,在加載和變濕過程中常易發(fā)生變形破壞,形成了大量的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害、水土流失等環(huán)境災(zāi)害、沉降等工程問題,已造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。加之當(dāng)前黃土高原大規(guī)模的平山造地等人類工程活動(dòng),必將加劇對(duì)黃土性質(zhì)和行為的改造,形成更多不可預(yù)測(cè)的工程問題和災(zāi)害事件�？梢�,黃土既是一種常見的災(zāi)害材料,又是一種典型的問題性土。因此,采用環(huán)境友好的固化方法提升黃土性能,分析固化黃土性能提升的規(guī)律,解釋固化黃土性能提升的機(jī)理,對(duì)保障黃土工程中的安全運(yùn)營和生命周期具有重要的經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值,為黃土高原中水土流失和地質(zhì)災(zāi)害提供新的解決方案,也具有實(shí)際的工程意義。本研究選擇了甘肅省蘭州市馬蘭黃土為固化對(duì)象,納米二氧化硅為固化添加劑。首先,以0.0%、0.2%、0.4%、0.8%、1.0%、1.5%和2.0%的質(zhì)量比添加干的納米二氧化硅到干黃土中;然后根據(jù)設(shè)計(jì)的含水量和干密度制作成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形試樣,并對(duì)不同納米二氧化硅添加含量的試樣分別養(yǎng)護(hù)7天、14天、28天和60天;接著,利用無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)了部分試樣制備的質(zhì)量,并對(duì)所有養(yǎng)護(hù)完成后的試樣進(jìn)行了密度和含水量等物理性質(zhì)與抗壓和抗拉力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試;隨后,對(duì)養(yǎng)護(hù)后的試樣進(jìn)行了微觀的XRD礦物成分、SEM微觀電鏡、BET孔徑分布,細(xì)觀顆粒尺寸分布、宏觀結(jié)構(gòu)崩解特性的測(cè)試分析;最后,分析納米二氧化硅固化黃土力學(xué)性能提升的機(jī)理,評(píng)價(jià)了固化黃土狀態(tài)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和環(huán)境效應(yīng)等方面的效果。從試樣制備的相似度、試樣制備的均勻性、人員制樣的差異性3個(gè)方面的試樣質(zhì)量評(píng)價(jià)的結(jié)果發(fā)現(xiàn),全自動(dòng)電子伺服壓力機(jī)上執(zhí)行的無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試是一種快速便捷的試樣制備質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法,試樣制備時(shí)的壓制方向與測(cè)試時(shí)的加載方向會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的一致性,不同研究人員在制備試樣過程中引起的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化會(huì)降低應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的吻合度。物理力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果和分析發(fā)現(xiàn),在不同含量和養(yǎng)護(hù)周期下納米二氧化硅固化黃土的基本物理狀態(tài)均發(fā)生了不同程度的變化,固化黃土的含水量和密度均隨養(yǎng)護(hù)周期的增長而降低,孔隙比只有非常輕微地增加,導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)后固化黃土呈現(xiàn)了輕微地疏松化,而這些物理狀態(tài)指標(biāo)隨含量的增加只有較小的變化;對(duì)于納米二氧化硅固化黃土的力學(xué)性能而言,無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度、割線模量、彈性模量、劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著含量的增加和養(yǎng)護(hù)周期的增長而增大,而納米二氧化硅含量0.2%固化黃土在較長養(yǎng)護(hù)周期下的力學(xué)性能也有明顯的提升;力學(xué)性能各指標(biāo)之間有很好的相關(guān)性,而與物理狀態(tài)之間的關(guān)系相對(duì)較差;這些數(shù)據(jù)和結(jié)果均表明,納米二氧化硅固化黃土物理力學(xué)性能的變化對(duì)養(yǎng)護(hù)周期的依賴性更強(qiáng)。納米二氧化硅固化黃土結(jié)構(gòu)特征的分析發(fā)現(xiàn),在不同含量和養(yǎng)護(hù)周期下,納米二氧化硅固化黃土沒有發(fā)生化學(xué)上的反應(yīng),也沒有產(chǎn)生可觀察的新礦物成分;微細(xì)觀尺度的數(shù)據(jù)顯示,納米二氧化硅添加到黃土以后,以填充固化黃土聚粒內(nèi)的孔隙為主,形成了更加接觸緊密和尺寸更大的聚粒,導(dǎo)致了聚粒間更大的微觀孔隙尺寸,使固化黃土具有更大的累積總孔隙;浸水崩解過程不但反映了宏觀的基本物理狀態(tài)的調(diào)整,還很好地反映了試樣聚粒狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)的變化。這些在微觀、細(xì)觀和宏觀尺度上的結(jié)構(gòu)特征很好地印證了宏觀物理力學(xué)性質(zhì)的變化。納米二氧化硅固化黃土的機(jī)理分析和性能評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn),納米二氧化硅添加到黃土后發(fā)生的養(yǎng)護(hù)失水、結(jié)構(gòu)聚集化和分散均質(zhì)化效應(yīng)是修改基本物理狀態(tài)和提升力學(xué)性能的關(guān)鍵;新構(gòu)建的養(yǎng)護(hù)含水量與平均顆粒尺寸比、養(yǎng)護(hù)含水量與累積孔隙體積比與傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)后含水量與納米二氧化硅含量的水灰比相比,與固化黃土的力學(xué)性能存在更好的關(guān)系,表明了固化黃土性能與結(jié)構(gòu)之間的緊密聯(lián)系;性能評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,固化黃土的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均有明顯地提升,且沒有產(chǎn)生明顯的化學(xué)環(huán)境效應(yīng)變化。因此,納米二氧化硅固化黃土性能提升本質(zhì)上具有物理均質(zhì)化與化學(xué)穩(wěn)定性的固化機(jī)理。從以上的結(jié)論可以總結(jié),納米二氧化硅固化黃土的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征的變化主要是物理修改的固化過程,宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)之間存在緊密的聯(lián)系,在沒有化學(xué)環(huán)境效應(yīng)發(fā)生下,固化黃土的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到了顯著地提升�？梢�,納米二氧化硅可以作為一種潛在的環(huán)境友好的新材料去固化黃土。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TU444
【部分圖文】：

位論文 納米二氧化硅固化黃土力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征研究19圖2.3 測(cè)試黃土的SEM圖像 (a) 500倍；(b) 2000倍。2.1.2 納米二氧化硅本研究中使用的納米二氧化硅，是湖南長沙晶康新材料有限公司生產(chǎn)的商用產(chǎn)品。表 2.2 中呈列了該納米二氧化硅的基本性質(zhì)。從表中可以看出，選用的納米二氧化硅為純度大于 99.8 %的白色球形顆粒粉末，顆粒密度小于 0.15 g/cm3，質(zhì)地非常輕，平均顆粒尺寸為 30 nm，比表面積為 300 m2/g，是一種純度很高的白色球形顆粒粉末。表 2.2 納米二氧化硅的基本性質(zhì)基本性質(zhì) 數(shù)值平均顆粒尺寸 (nm) 30純度 (%) ≥ 99.8顆粒密度 (g/cm3) < 0.15比表面積 (m2/g) 300顏色 白色顆粒形狀 圓形顆粒圖 2.4 呈現(xiàn)了納米二氧化硅聚粒的顆粒尺寸分布曲線。圖 2.5 為納米二氧化硅在放大 1000 倍和 4500 倍下的掃描電鏡結(jié)果。從細(xì)觀數(shù)據(jù)和微觀的結(jié)構(gòu)均可以發(fā)現(xiàn)

顆粒尺寸(μm)圖2.4 納米二氧化硅聚粒的顆粒尺寸分布圖2.5 測(cè)試納米二氧化硅的SEM圖像 (a) 1000倍；(b) 4500倍。0100020003000400050005 10 15 20 25 30 35 40 45峰值強(qiáng)度(counts)2θ (deg)石英圖2.6 測(cè)試納米二氧化硅的礦物成分

好地呈現(xiàn)了試樣在外部加載下的受力變化過程。本質(zhì)上，在 F 點(diǎn)前，是承受外部加載的試樣本身的破壞變形過程；而在 F 點(diǎn)后，是試樣破壞后的壓密變形過程。圖2.7 劈裂抗拉強(qiáng)度曲線與取值 (a) 線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線；(b) 對(duì)數(shù)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。從大量試驗(yàn)過程中的現(xiàn)象中還發(fā)現(xiàn)，在 F 點(diǎn)位置，正是試樣承受外界荷載發(fā)生破壞的位置(圖 2.8)。在 F 臨界點(diǎn)，試樣兩端發(fā)生了類似于材料科學(xué)中拉伸韌
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