当前的世界环境

介绍

在结构部位存在的天然土壤并不总是适合以适当的方式支持该土壤。由于其高吸水性和保留，粘土矿物质可能在各种项目中引起不同的问题，并且耐受细化。换句话说，除了液化土壤之外，大多数有问题的土壤都由粘土矿物构成，因此有必要回收它们。在该研究中，研究了具有低塑性指数（CL）的粘土土壤。使用添加剂是改性土壤的方法之一。用于稳定目标的常见添加剂包括：水泥，石灰，氯化钙，飞灰水泥等（Daniels等，2004）。通过添加这些添加剂，研究人员可以提高土壤的强度和耐久性以及它们的变形和渗透性已经下降。使用非粒子作为新添加剂是不常见的。非颗粒具有特殊的特性，因此使用这种新添加剂导致土壤结构的相当大的变化。非颗粒比土壤颗粒更活跃，因此它可以仅由于其高特殊区域（Guoping，2000）而进入行动。 In this study, Nano-silica in various percentages has been used to stabilize the soil. in recent years, many studies have been done on adding Nano-silica to cement (Hui et al., 2003). In present paper, Nano-silica has been added to the soil solely as well as in combination with other additives such as cement, lime and micro-silica. Using silica in soil stabilization depends on type and size of silica particles so that the more finer (to Nano dimension) the more continuous gradation, so property of being finer leads to decrease pores among particles and results to increase strength while light gradation has been achieved. Miwa and Ion Cora (1992) have used Nono-particles to increase soil compressive strength (Yonekura et al., 1993). Nol investigated effect of Nano-silica on increase of soil strength against to penetration (Nol et al., 1992). in 2005, Nano-silica has been used in order to increase cohesion as well as decrees in viscosity and it is found that amount of cohesion has a relation with percentage of Nano-silica (Gallagher et al., 2005). Patricia have investigated effect of Nano-particles on sands with high viscosity (Gallagher et al., 2007). Zhang claimed that use of Nano-particles leads to increase in Atterberg limits (Zhang et al., 2004). Strengthening of soil with lime was common since ancient times and in America, modifying soil with hydrated lime was prevailed since 1945. Croft found that adding lime to soils leads to decrease in swelling, liquid limit, plasticity index and maximum dry specific gravity. It also results to increase in optimum moisture content, shrinkage limit and strength (Croft et al., 1996). In different studies (Bell) optimum percentage for lime has been proposed 1-3 percent respect to dry soil weight. More than this value has not significant effect on plasticity characteristics but it will increase soil strength. While other studies suggested 2-8 percent for lime in order to modify soil features (Bassma et al., 1991),. The lime leads to modify behavioral features of fine-grained soils containing clay (properties such as swelling, water absorption ability and plasticity). The lime should not be in vicinity of sulphate ions since, in this condition, presence of lime not only doesn’t play an effective role but also it leads to decrease in strength while increase in swelling. This phenomenon is occurred due to chemical actions among clay minerals, lime and sulphate, that leads to formation of ettringite and thaumasite minerals. These minerals are swelled due to water absorption. In recent years, unsuccessful experiences have been observed in relation to stabilizing soils with lime in Europe [Mitchell et al., 1986 & Ferris et al., 1991)]. Next studies by them indicate presence of soluble sulphates - especially calcium sulphates- and ettringite and thaumasite minerals within soil of interested regions. Formation of these harmful minerals is due to chemical actions among clays, limes and sulphates. So in this study, effect of adding Nano-silica in various percentages (1%, 2%, 3%, 4% and 5%) into samples containing gypsum and lime was studied by performing free swelling test. Accurately determining of shear strength parameters in fine-grained soils has its special difficulties. One of the most important such problem is to provide undisturbed samples which have appropriate quality in order to conduct soil shear strength tests. Direct shear test has been used for obtaining shear strength parameters. Although direct shear machine has its defects and its accuracy is low in comparison with tri-axial machine, however it has been selected due to its simplicity and cheapness. Since this investigation aims to compare various additives and all tests have been done at same condition by direct shear machine, its deficiencies have been neglected.

材料

土壤

本研究中使用的土壤是基于统一分类的CL。该土壤的液体限制（LL）和塑性极限（PL）基于ASTM D4318标准确定。表1显示了这种土壤的物理特征。

表1:土壤物理特性

纳米二氧化硅

本研究中使用的纳米二氧化硅是由伊朗纳米二氧化硅先驱公司（SANI）提供的白色粉末。表2中已显示纳米二氧化硅的物理特性。这些功能基于SANI CO提供的信息。

表2：纳米二氧化硅的物理特性

水泥

目前研究的水泥是在阿尔达比尔水泥厂生产的波特兰水泥。

Micro-silica

本研究中使用的微硅，由新浪粉酱公司提供。它的熟练生产是基于ASTM C1240- EN13263。表3显示了微硅的物理特性。

表3微硅的物理特性

石灰

本研究中使用的石灰是被称为氢氧化钙的水合工业石灰，并有10kg封装。它的颜色是白色，其密度和比重是2.35和5.5kn / m^3.， 分别。

硫酸钙（石膏）

石膏是天然土壤中的硫酸盐。在这项研究中，水合物硫酸钙（Caso_4.. h₂o） - 在工业上称为石膏，并在20公斤套餐中提供。

测试方法

用于提供样品的所需土壤应该如此，我们可以获得所有类似的样本。在稳定过程中，土壤变得干扰，因此考虑稳定方法，样品是重构的。通过层通过剪切压缩或压实层重构样品，使得模具中的重构样品的最终累积重量具有明确的体积。在Group1实验中，纳米二氧化硅粉作为在2,3,4,5,7株的水族中的溶液，对干燥的土壤重量平滑地分布在整个样品中，然后将土壤二氧化硅混合物浇铸在制备的模具中，然后是在每层中由4千克标准锤压（关于每种土壤的最佳水分含量和最大干燥比重）。由于纳米二氧化硅和微二氧化硅是细粒颗粒，并且与样品体积相比，它们的量低，因此忽略了它们对水分含量和最大干特异性重力的影响。在Group2实验中，用水泥稳定样品，然后将纳米二氧化硅和微二氧化硅以各种百分比加入到用水泥稳定的土壤中，之后的其对土壤剪切强度参数的影响进行了研究。基于Michel和FreyTag Work的基础，用于稳定CL土壤的水泥的体积为干燥样品重量的12％。首先，在整个样品中分布12％的水泥（样品干重），然后将与水泥混合的土壤通过层在制备的模具中浇铸层，然后使用标准锤压实各层。将含有样品的模具在25℃下保持，并将土壤的最佳水分含量保持20天。 For preparing other samples, the percent of cement was decreased up to 6% and Nano-silica in 4, 3 and 2 percent (respect to cement weight) was added to soil and then micro-silica in 6, 5 and 4 percent was added to soil in addition to 6% cement. This group tests aim to give comparison between Nano-silica and Micro-silica. When Nano-silica is added to soil, use of cement is decreased up to 50% while better results have been achieved. In group3 experiments, lime was used as a stabilizer additive and Nano-silica was functioned as an amplifier additive. The lime as swelling, water absorption ability and plasticity). As mentioned previously, the lime should not be in vicinity of sulphate ions since, in this condition, presence of lime not only doesn’t play an effective role but also it leads to decrease in strength while increase in swelling. This phenomenon is occurred due to chemical actions among clay minerals, lime and sulphate, that leads to formation of ettringite and thaumasite minerals. These minerals are swelled due to water absorption. In tests of this group, 5% (respect to weight of dry sample) gypsum –common sulphates in soils- has been added to samples. Since lime is swelled at vicinity of soil containing sulphate, so amount of swelling was checked through free swelling test and effect of adding Nano-silica into samples containing gypsum and lime was studied. Although stabilization of soil with Nano-silica and lime is very effective, however its influence in adjacent with sulphates should be checked in order to prevent subsequent problems.

所有实验都是通过垂直应力的缓慢和饱和的方法来完成，等于1.23,1.51,1.79,2.1,2.34和2.63 kg / cm²。通过绘制MoHR-Coulomb推动，在0.05mm / min速率下在固结排干条件下进行测试，然后内部摩擦角和内聚力系数土壤剪切强度参数。

实验的结果

测试了超过150个样品。最后，在各种样品中接受了114个测试。已经为各种州绘制了Mohr-coulomb推送，如下数据所示。在这些图中，S，N，C，M，L和G分别是指土壤，纳米二氧化硅，水泥，微二氧化硅，石灰和石膏。

图1：Mohr-Coulomb推动土壤而没有任何添加剂 点击此处查看数字

图2：MOHR-库仑在各种百分比中用纳米二氧化硅稳定的样品之间的总体比较 点击此处查看数字

在该组测试中，将4％的纳米二氧化硅加入样品中具有最有效的土壤剪切强度参数影响。因此，关于进行测试的结果，使用纳米二氧化硅稳定土壤的最佳值等于4％。纳米二氧化硅具有高特异性区域。此添加剂也是无定形材料，因此它非常活跃，并且具有高能力参与化学作用。纳米二氧化硅颗粒具有粉末状态。如果将一些水添加到这种添加剂中并逐渐失去水，这种材料将其状态改变为具有非常高的强度的强度，即由于高表面电荷和充满活力而在一起的胶粘性能加入水。该主题已被研究人员通过SEM摄影证明。在稳定过程中，如果使用纳米二氧化硅使用一些Pozzolan，则在将相同的水添加到土壤中，将开始喷糊糊剂作用。在图3和4中，示意性地示出了纳米二氧化硅在各种百分比上的影响。

图3：纳米二氧化硅对凝聚系数的影响 点击此处查看数字

图4：纳米二氧化硅对土壤内摩擦角的影响 点击此处查看数字

在图5-10中，已经示出了在含有各种纳米二氧化硅，微二氧化硅和水泥的样品上进行的试验结果。可以在图5中观察到，当将5％的微二氧化硅添加到土壤中时，内部摩擦角度比微二氧化硅百分比为4％的程度，而后者的内聚力系数比前状态为15％。因此，已添加到土壤中的微二氧化硅的最佳值 - 6％的水泥混合物为4％。在最佳状态下，内部小说角分别超过12％水泥或没有添加到土壤中的状态的12％和112％。在最佳状态下的内聚力系数的这些增加分别为6％和88％。与其他值相比，用6％水泥和4％微二氧化硅稳定的样品具有最大剪切应力（在恒定垂直应力下）。

图5:水泥和微硅稳定样品的莫尔-库仑推力 点击此处查看数字

图6：微二氧化硅和水泥对土着内聚力系数的影响 点击此处查看数字

图7微硅和水泥对土体内摩擦角的影响 点击此处查看数字

从图8可以看出，6%水泥和2%纳米二氧化硅稳定试样可以承受更高的剪应力，特别是在更高的恒定垂直应力下。在本组试验中，可以观察到纳米二氧化硅对土壤-6%水泥外加剂的最佳稳定值为2%。在最佳状态下，与未添加添加剂、水泥稳定剂和微硅稳定剂相比，内摩擦系数分别提高了135%、24%和11%。最优状态下黏聚力系数的增幅分别为155%、43%和36%。

无花果。8:莫尔-库仑推动水泥土外加剂完成不同比例的纳米二氧化硅 点击此处查看数字

图9：纳米二氧化硅和水泥对土着内聚力系数的影响 点击此处查看数字

图10：纳米二氧化硅和水泥对土壤内部摩擦角的影响 点击此处查看数字

从实验结果来看，通过将纳米二氧化硅和微二氧化硅添加到水泥土外加剂中，对二者的特性进行了比较。这两种添加剂之间有许多不同之处。微硅是一种直径0.1-1mm的硅产品。微硅虽然对提高土壤抗剪强度有有效作用，但缺乏纳米土硅的特性。微硅不能单独使用以稳定土壤。换句话说，它必须与其他添加剂一起作为启动pozolanic作用的活化剂。实验结果表明，纳米硅和水泥稳定土的黏聚力系数和内膨胀角均高于微硅和水泥稳定土。换句话说，低百分比的纳米二氧化硅比高百分比的微二氧化硅带来更好的结果。最后一组实验处理的样品含有5%的石膏，5%的石灰和不同比例的纳米二氧化硅(1,2,3,4和5)。尽管石灰改变了含有粘土的细粒土的行为特性(特性如膨胀，抗剪强度，吸水和可塑性)，然而，它不应该与硫酸盐离子相邻，因为在这种情况下，石灰的存在不仅是无效的，而且会导致膨胀的增加和剪切强度的降低。 As lime in soils containing sulphate results to aggravate swelling, hence value of swelling in samples was checked through conducting free-swelling test and then effect of adding Nano-silica into sample containing gypsum and lime was investigated. Since samples for doing free-swelling test are prepared at maximum dry specific gravity, initially it was required that standard compaction test to be done based on ASTM D698 standard. Results of compaction test have been shown in Tables.4 and 5.

表4：从压实试验获得的最佳水分含量

表5：从压实测试获得的最大干比重

在合并机器中，样品横向限制;因此，样本高度的变化意味着体积的变化。在该测试中，样品基于最大干比重力制备，并且由于饱和度，它们得到所需的水。在这些样品中，使用5％石灰，使用纳米二氧化硅在0,1,2,3,4,5％的5％石膏完成。方法的步骤如下：首先，将所需量的每一个混合在一起，然后基于从压实试验所达到的最佳水分含量加入所需的水。这些外加剂自由地离开，以允许在其中发生初步行动。最后获得均匀混合物在合并机中制备样品。在图11中显示了合并机器在固结机中的可自由溶胀试验结果。

图11自由膨胀试验结果 点击此处查看数字

关于图11，可以观察到土壤 - 石膏混合物的溶胀量显着降低。在没有纳米二氧化硅的样品中看到最大溶胀。事实上，我们可以这么说，土壤 - 石灰石膏混合物的肿胀比土壤 - 石膏混合物的肿胀更多。在含有纳米二氧化硅的样品中，最高溶胀与用1％纳米二氧化硅的样品相关。而且，最低溶胀对应于含有5％纳米二氧化硅的样品。注意，含有3.4和5％纳米二氧化硅的样品具有大致相同的溶胀值，它们之间存在轻微差异。换句话说，这些样品的肿胀非常接近零。因此，考虑到经济条件，纳米二氧化硅的最佳值为样品的干重的3％。在图12中，已经显示了含有石灰，石膏和纳米二氧化硅的样品的直接剪切试验的结果。

图12:用石灰和纳米二氧化硅稳定的样品的莫尔-库仑推力 点击此处查看数字

如图12所示，纳米二氧化硅对土壤-5%石灰-5%石膏的最佳稳定值为2%，即在此状态下，土壤抗剪强度参数值最大。然而，考虑到自由膨胀试验的结果，纳米二氧化硅的最优值为3%，且2%和3%纳米二氧化硅稳定试样的内摩擦角和黏聚力系数差异较小，因此选择3%纳米二氧化硅作为土壤-5%石膏-5%石灰外加剂的稳定剂。纳米二氧化硅可以有效地解决石灰固化土在硫酸盐离子作用下的膨胀问题。在直剪试验中，土体抗剪强度参数也有较大的提高。

讨论

从实验结果可以看出，当纳米二氧化硅掺量增加时，土体抗剪强度参数先增大后减小。这种减少可能是由于纳米二氧化硅具有较高的特殊面积，不能均匀地分布在土壤中，因此纳米二氧化硅颗粒之间会发生物理表面作用，导致纳米二氧化硅颗粒形成弱而不稳定的堵塞。此外，如果纳米二氧化硅与水泥和石灰等其他添加剂一起使用，增加纳米二氧化硅会导致水泥和石灰不能很好地发挥作用。换句话说，当纳米二氧化硅百分比增加时，压缩凝胶的价值大于添加剂产生的晶体，这导致强度下降。

如果只用纳米二氧化硅来修改土的抗剪强度参数，最优值为4%。在此状态下，纳米二氧化硅稳定土的内摩擦角和黏聚力系数比不添加添加剂的土分别提高了138%和107%。

如果纳米二氧化硅与其他添加剂一起使用，水泥土混合料中纳米二氧化硅的最佳添加量为2%(水泥质量为6%)。此外，微二氧化硅的最佳值是5%(相对于水泥质量的6%)。

在土-水混合料中加入2%的纳米二氧化硅，其强度的提高幅度大于添加5%的微二氧化硅。在这种状态下，使用低含量的纳米二氧化硅比使用高含量的微二氧化硅具有更好的性能。

根据已进行的研究，在土壤中添加纳米二氧化硅显著地抑制了含粘土和石膏的问题土壤的膨胀。应该注意的是，在没有纳米二氧化硅添加剂的样品中，最大的溶胀发生了。土-石灰-石膏的膨胀比土-石膏的膨胀要大得多。在此状态下，考虑经济条件，纳米二氧化硅的最佳用量为3%(相对于样品的干重)。

为了获得土的抗剪强度参数，纳米二氧化硅对土- 5%石灰- 5%石膏外加剂的最优稳定值为2%。

参考文献

1. Bassma,;Tuncer,雌激素受体;石灰对膨胀粘土体积变化和压缩性的影响。运输研究委员会，华盛顿特区，TRR NO, pp54-61，（1991）。
2. 钟,FG。石灰粘土矿物和土壤的稳定作用。工程地质,pp223 - 237。
3. 克罗夫特，jb。土壤矿物学组合物对水泥稳定岩土的影响。Vol 17，伦敦，英国（1996年）。
4. 丹尼尔斯,j . L;Inyang h·L;污染物屏障材料与水性聚合物相互作用的结构响应。材料与土木工程学报，16,365-275（2004）。
5. 摩天,g . a;逃避,j·l·;坟墓,r . e .;麦克莱伦，g.h.;在石灰稳定前用钡化合物处理硫酸盐土壤的改良特性，运输研究记录，(1991)。
6. 加拉格尔,点;Conlee让;罗林斯,k M;降低液化风险的胶体硅注浆的全尺寸现场试验。第3期- 1090 - 0241,133:2 - 186,(2007)。
7. 加拉格尔,点用柱层法测定二氧化硅胶体传输机制。地理前沿大会，(2005)。
8. 郭平，Z.纳米颗粒及其对土体工程性质的影响(岩土工程学报，2000)
9. 回族,L;Hui-gang X;杰,Y;Ou习近平,O;纳米颗粒水泥砂浆的微观结构。复合材料颗粒，复合材料B部分:工程，(2003)。
10. 米切尔，j.k.，令人惊讶的土壤行为的实际问题，岩土工程，asce，（1986）。
11. NOLL，M. R.Baetlett，C. Dochat，T.M。原位可允许性降低和使用胶体二氧化硅的化学固定。国家户外行动会议，拉斯维加斯，（1992）。
12. Yonekura, B. Miwa, M.(1993)，水玻璃基灌浆的基本特性。岩土工程会议，新加坡，(1993)。
13. 张,g;杰曼,j . t .;惠特尔A.J.;和拉德,c;强风化旧冲积层的指标性质。Geotechnique 54,4,4,441-451，（2004）。