纳米二氧化硅固化黄土力学性能和结构特征研究

发布时间：2020-10-10 17:39

　　 黄土广泛分布在世界上的许多地方,而中国是世界上黄土分布最广泛的国家。由于黄土特殊的性质和结构特征,在加载和变湿过程中常易发生变形破坏,形成了大量的滑坡等地质灾害、水土流失等环境灾害、沉降等工程问题,已造成了大量的经济损失和人员伤亡。加之当前黄土高原大规模的平山造地等人类工程活动,必将加剧对黄土性质和行为的改造,形成更多不可预测的工程问题和灾害事件。可见,黄土既是一种常见的灾害材料,又是一种典型的问题性土。因此,采用环境友好的固化方法提升黄土性能,分析固化黄土性能提升的规律,解释固化黄土性能提升的机理,对保障黄土工程中的安全运营和生命周期具有重要的经济社会价值,为黄土高原中水土流失和地质灾害提供新的解决方案,也具有实际的工程意义。本研究选择了甘肃省兰州市马兰黄土为固化对象,纳米二氧化硅为固化添加剂。首先,以0.0%、0.2%、0.4%、0.8%、1.0%、1.5%和2.0%的质量比添加干的纳米二氧化硅到干黄土中;然后根据设计的含水量和干密度制作成标准的圆柱形试样,并对不同纳米二氧化硅添加含量的试样分别养护7天、14天、28天和60天;接着,利用无侧限单轴抗压强度评价了部分试样制备的质量,并对所有养护完成后的试样进行了密度和含水量等物理性质与抗压和抗拉力学性质的测试;随后,对养护后的试样进行了微观的XRD矿物成分、SEM微观电镜、BET孔径分布,细观颗粒尺寸分布、宏观结构崩解特性的测试分析;最后,分析纳米二氧化硅固化黄土力学性能提升的机理,评价了固化黄土状态结构、力学性能、结构稳定性和环境效应等方面的效果。从试样制备的相似度、试样制备的均匀性、人员制样的差异性3个方面的试样质量评价的结果发现,全自动电子伺服压力机上执行的无侧限单轴抗压强度测试是一种快速便捷的试样制备质量的评价方法,试样制备时的压制方向与测试时的加载方向会影响测试结果的一致性,不同研究人员在制备试样过程中引起的内部结构的细微变化会降低应力-应变关系曲线的吻合度。物理力学性能的测试结果和分析发现,在不同含量和养护周期下纳米二氧化硅固化黄土的基本物理状态均发生了不同程度的变化,固化黄土的含水量和密度均随养护周期的增长而降低,孔隙比只有非常轻微地增加,导致养护后固化黄土呈现了轻微地疏松化,而这些物理状态指标随含量的增加只有较小的变化;对于纳米二氧化硅固化黄土的力学性能而言,无侧限单轴抗压强度、割线模量、弹性模量、劈裂抗拉强度均随着含量的增加和养护周期的增长而增大,而纳米二氧化硅含量0.2%固化黄土在较长养护周期下的力学性能也有明显的提升;力学性能各指标之间有很好的相关性,而与物理状态之间的关系相对较差;这些数据和结果均表明,纳米二氧化硅固化黄土物理力学性能的变化对养护周期的依赖性更强。纳米二氧化硅固化黄土结构特征的分析发现,在不同含量和养护周期下,纳米二氧化硅固化黄土没有发生化学上的反应,也没有产生可观察的新矿物成分;微细观尺度的数据显示,纳米二氧化硅添加到黄土以后,以填充固化黄土聚粒内的孔隙为主,形成了更加接触紧密和尺寸更大的聚粒,导致了聚粒间更大的微观孔隙尺寸,使固化黄土具有更大的累积总孔隙;浸水崩解过程不但反映了宏观的基本物理状态的调整,还很好地反映了试样聚粒状态和微观结构的变化。这些在微观、细观和宏观尺度上的结构特征很好地印证了宏观物理力学性质的变化。纳米二氧化硅固化黄土的机理分析和性能评价发现,纳米二氧化硅添加到黄土后发生的养护失水、结构聚集化和分散均质化效应是修改基本物理状态和提升力学性能的关键;新构建的养护含水量与平均颗粒尺寸比、养护含水量与累积孔隙体积比与传统的养护后含水量与纳米二氧化硅含量的水灰比相比,与固化黄土的力学性能存在更好的关系,表明了固化黄土性能与结构之间的紧密联系;性能评价结果显示,固化黄土的力学性能与结构稳定性均有明显地提升,且没有产生明显的化学环境效应变化。因此,纳米二氧化硅固化黄土性能提升本质上具有物理均质化与化学稳定性的固化机理。从以上的结论可以总结,纳米二氧化硅固化黄土的力学性能和结构特征的变化主要是物理修改的固化过程,宏观性能与微观结构之间存在紧密的联系,在没有化学环境效应发生下,固化黄土的力学性能和结构稳定性得到了显著地提升。可见,纳米二氧化硅可以作为一种潜在的环境友好的新材料去固化黄土。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU444
【部分图文】：

位论文 纳米二氧化硅固化黄土力学性能和结构特征研究19图2.3 测试黄土的SEM图像 (a) 500倍；(b) 2000倍。2.1.2 纳米二氧化硅本研究中使用的纳米二氧化硅，是湖南长沙晶康新材料有限公司生产的商用产品。表 2.2 中呈列了该纳米二氧化硅的基本性质。从表中可以看出，选用的纳米二氧化硅为纯度大于 99.8 %的白色球形颗粒粉末，颗粒密度小于 0.15 g/cm3，质地非常轻，平均颗粒尺寸为 30 nm，比表面积为 300 m2/g，是一种纯度很高的白色球形颗粒粉末。表 2.2 纳米二氧化硅的基本性质基本性质 数值平均颗粒尺寸 (nm) 30纯度 (%) ≥ 99.8颗粒密度 (g/cm3) < 0.15比表面积 (m2/g) 300颜色 白色颗粒形状 圆形颗粒图 2.4 呈现了纳米二氧化硅聚粒的颗粒尺寸分布曲线。图 2.5 为纳米二氧化硅在放大 1000 倍和 4500 倍下的扫描电镜结果。从细观数据和微观的结构均可以发现

颗粒尺寸(μm)图2.4 纳米二氧化硅聚粒的颗粒尺寸分布图2.5 测试纳米二氧化硅的SEM图像 (a) 1000倍；(b) 4500倍。0100020003000400050005 10 15 20 25 30 35 40 45峰值强度(counts)2θ (deg)石英图2.6 测试纳米二氧化硅的矿物成分

好地呈现了试样在外部加载下的受力变化过程。本质上，在 F 点前，是承受外部加载的试样本身的破坏变形过程；而在 F 点后，是试样破坏后的压密变形过程。图2.7 劈裂抗拉强度曲线与取值 (a) 线性应力-应变关系曲线；(b) 对数的应力-应变关系曲线。从大量试验过程中的现象中还发现，在 F 点位置，正是试样承受外界荷载发生破坏的位置(图 2.8)。在 F 临界点，试样两端发生了类似于材料科学中拉伸韧
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 胡明霞;;纳米二氧化硅的应用及其发展[J];中国粉体工业;2018年01期

2 ;用硅藻土生产超细和纳米二氧化硅[J];中国粉体工业;2009年04期

3 柯昌银;;纳米二氧化硅环氧树脂复合材料研究进展[J];江西化工;2019年01期

4 张玲;张金波;王梦娇;袁琦峰;周子靖;朱金玲;吴祥红;金岳雷;;纳米二氧化硅毒性研究进展[J];环境与健康杂志;2017年10期

5 王统利;郑黎明;董柯;刘宏正;邹文瑞;张赢心;;纳米二氧化硅制备及在环境领域的应用[J];辽宁化工;2018年03期

6 杨光;邓安仲;;添加纳米二氧化硅对苯丙涂层综合性能的影响[J];材料保护;2017年12期

7 陈博;陈学琴;任军;孙争光;;纳米二氧化硅表面改性研究进展[J];有机硅材料;2017年05期

8 姜兴茂;李亚情;张涛;;纳米二氧化硅的制备及在生物医学领域的应用[J];常州大学学报(自然科学版);2015年02期

9 刘丹;张立平;刘军;付双;吴山;;萃取与水蒸气高压结合法除去介孔纳米二氧化硅中的CTAB[J];广东化工;2015年12期

10 付敏;张大风;郑铁丽;吕德馨;许雷;黄玲燕;卢玲娇;王思钱;;纳米二氧化硅溶胶对氧化锆饰面瓷双层瓷基底的影响[J];全科口腔医学电子杂志;2015年04期

相关博士学位论文 前10条

1 孔冉;纳米二氧化硅固化黄土力学性能和结构特征研究[D];兰州大学;2019年

2 陈国栋;丙烯酸酯聚氨酯/纳米二氧化硅复合涂层的研究[D];复旦大学;2005年

3 袁俊杰;有机颜料的表面纳米包覆改性及其在涂料中的应用研究[D];复旦大学;2006年

4 杜忠君;气管滴注纳米二氧化硅颗粒致大鼠心血管毒性及其相关机制研究[D];吉林大学;2013年

5 蔺新丽;纳米二氧化硅颗粒肺毒性及其相关机制研究[D];吉林大学;2011年

6 郑净植;聚丙烯/微、纳米二氧化硅复合材料的分散与性能[D];华中科技大学;2010年

7 贾鑫;新型功能化聚乙烯醇的制备及性能研究[D];兰州大学;2009年

8 李慧媛;木质高分子复合材料的改性设计及性能评价[D];南京林业大学;2015年

9 侯雪艳;制革用含酶助剂的制备及性能研究[D];陕西科技大学;2015年

10 刘玉阳;功能化硅丙乳液的应用基础研究[D];浙江大学;2003年

相关硕士学位论文 前10条

1 张紫岩;形状记忆聚酰亚胺/二氧化硅复合材料的制备及性能研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

2 蔡吉祥;氯硅烷残液制备可控粒度球形纳米二氧化硅的研究[D];昆明理工大学;2018年

3 陶晓贺;纳米二氧化硅分散液的制备及其驱油性能研究[D];河南大学;2019年

4 魏庆渤;纳米二氧化硅改性聚氯乙烯的研究[D];河南大学;2019年

5 王路遥;纳米二氧化硅诱导巨噬细胞引起人胚肺成纤维细胞蛋白表达差异研究[D];华北理工大学;2019年

6 樊晓霞;纳米二氧化硅对常规密度油井水泥浆性能影响研究[D];西南石油大学;2018年

7 吴艳艳;改性纳米二氧化硅在水基钻井液中性能研究及应用[D];中国石油大学(华东);2017年

8 倪然;基于棒状纳米二氧化硅复合材料的多模光学探针的制备及在免疫检测中的应用[D];东北师范大学;2019年

9 杨冰;用于纳米二氧化硅水体系的聚丙烯酸类分散剂的制备及性能研究[D];武汉科技大学;2019年

10 董阿木古楞;N-卤胺改性抗菌复合材料的设计合成及抗菌性能研究[D];内蒙古大学;2019年

本文编号：2835383